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Nov 25, 2023

기가헤르츠 무료

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3170(2022) 이 기사 인용

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전기광학 변조기는 감지, 계측 및 통신에 필수적입니다. 대부분의 대상 섬유 응용 분야. 대신, 기가헤르츠(GHz) 속도로 자유 공간 빛을 변조하는 메타표면 기반 아키텍처는 능동 광학, 회절 컴퓨팅 또는 광전자 제어를 위한 마이크로파 전자 장치를 통해 평면 광학 기술을 향상시킬 수 있습니다. 현재 구현은 부피가 크거나 변조 효율성이 낮습니다. 여기서는 GHz 속도에서 효율적인 전기 광학 변조를 위해 Mie 공명을 활용하는 하이브리드 실리콘-유기 메타표면 플랫폼을 시연합니다. 우리는 \({\lambda }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=1594에서 좁은 선폭(Q = 550)을 제공하는 연속체(BIC)의 준 경계 상태를 활용합니다. \) nm), 비선형 물질에 대한 광 제한, 설계 및 전압 및 GHz 속도 전극에 따른 조정 가능성. \(\frac{{{\Delta }}T}{{T}_{\max }}=67 \%\)의 변조를 달성하는 핵심은 r33 = 100pm/V인 분자와 낮은 광학장 최적화입니다. -손실. \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=\)를 통해 준BIC 공진 주파수의 DC 튜닝을 시연합니다. 11 nm, 선폭을 초과하고 최대 5 GHz(fEO,−3dB = 3 GHz)까지 변조됩니다. 가이드 모드 공진은 \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=\) 20nm로 조정됩니다. 우리의 하이브리드 플랫폼은 제조 후 활성층을 적용하여 모든 형상이나 재료의 자유 공간 나노구조를 통합할 수 있습니다.

최근에는 전통적인 전자 기술 대신에 고속 통신1 및 고성능 컴퓨팅2,3의 병목 현상을 해결할 수 있는 광자 기술이 유망해지고 있습니다. 차세대 광자 장치는 빛을 고속으로 조작해야 하며 오늘날 대부분의 시연은 광섬유 또는 온칩 애플리케이션을 대상으로 합니다. 또는 메타표면은 자유 공간 광선4,5의 컴팩트한 제어가 필요한 응용 분야에 이상적으로 적합하지만 대부분은 정적입니다. 능동 제어6,7를 제공하는 사용 가능한 메커니즘 중에서 전자 신호에 의해 광장을 변조하기 위해 χ(2) 효과를 사용하는 하이브리드8 전기 광학 구조는 속도 측면에서 대체 기술보다 우수합니다. 제어 필드는 마이크로파에서 테라헤르츠9는 금속 전극10,11 또는 안테나 구조12를 통해 적용됩니다. 오늘날 유기 비선형 분자13, 티탄산 바륨14, 니오브산 리튬15을 포함하여 여러 가지 재료 플랫폼을 사용할 수 있으며, 이는 분자 공학16, 성장17, 제조 및 안정성18의 발전으로 이익을 얻습니다. 일반적으로 낮은 광 손실과 높은 변조 효율은 광범위한 응용 분야의 핵심이며 양자 응용 분야에서는 특히 중요합니다19,20.

하위 파장 공진기의 초박형 전기 광학 변조기는 자유 공간 광 통신 링크21, 간섭성 레이저 거리 측정, 능동 광학 구성 요소22, 고광학 구성 요소22, 속도 공간 광 변조기23,24 및 자유 공간 방출기25의 능동 제어. 메타표면과 같은 평면 광학 구성요소는 자유 공간에서 메타표면으로 입사되는 빔의 특성을 변경하는 파장 이하 크기의 나노 구조에 의존하며 단일 픽셀 이상의 공간 다중화 요구 사항을 해결하는 데 이상적으로 적합합니다. 사용된 변조 메커니즘의 관점에서, 액정에 메타표면 침지, 엡실론에 가까운 물질과의 공동 통합, 상 변화 물질, 반도체 이종 구조 또는 펨토초 펄스를 펌핑하여 굴절률을 변경합니다. 그러나 이러한 모든 메커니즘 중에서 가시광선 또는 통신광의 메타표면 변조기의 대다수는 높은 변조 속도를 위한 효율적인 변조를 교환하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 결과적으로 마이크로파에서는 소수의 변조 속도만 도달하며 이는 시간에 민감한 응용 분야에 매우 중요합니다. 시연된 스위칭 속도는 일반적으로 수 킬로헤르츠에서 수 메가헤르츠에 이릅니다. 뛰어난 후보로서 전기 광학 효과는 고속 변조와 호환되지만 현재 활성 메타표면은 변조 효율이 낮습니다. 이는 일반적인 메타표면 요소의 파장 이하 크기와 연결되어 평면 광학의 두께에 상응하는 길이가 불과 수백 나노미터에 불과한 상호 작용 영역으로 이어집니다. 더욱이, 파장 크기 공진기는 작은 방위각 모달 차수로 인해 품질이 낮은 요인으로 오랫동안 특징지어져 왔습니다.