[論文レビュー] Anomalous emission from a one-dimensional lattice of ions in silicon photonics

Arindam Nandi, Xiaodong Jiang+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2019

Photonic and Optical Devices被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、通信波長域におけるシリコンナ nitrideマイクロリングレゾネータに埋め込まれたイテルビウムイオンの一次元格子で、異常な光放出が実証された。原子間隔を設計することでブラッグ共鳴を誘発し、ファノ干渉を活用することで、正確な原子配置と格子の周期性を用いて散乱損失を低減し、発光制御を実現した。

ABSTRACT

By engineering atomic geometries composed of nearly 1000 atomic segments embedded in micro-resonators we observe Bragg resonances induced by the atomic lattice at the telecommunication wavelength. The geometrical arrangement of erbium atoms into a lattice inside a silicon nitride microring resonator reduces the scattering loss at a wavelength commensurate with the lattice. We confirm dependency of light emission to the atomic positions and lattice spacing and also observe Fano interference between resonant modes in the system.

研究の動機と目的

• 集積フォトニクスシステムにおける原子格子の幾何学的配置が光-物質相互作用に与える影響を調査すること。
• 周期的な原子配列を用いて、希土類元素ドーピングフォトニクス素子における散乱損失を低減すること。
• マイクロレゾネータ環境下で格子間隔と原子配置を制御することで発光を制御することを実証すること。
• フォトニックモードに結合されたイテルビウム原子の格子内でファノ干渉効果を観測し、その特徴を同定すること。

提案手法

• シリコンナ nitrideマイクロリングレゾネータ内に、ほぼ1000セグメントにわたるイオン格子としてイテルビウム原子の原子セグメントが設計された。
• 格子間隔が通信波長に正確に一致するように調整され、ブラッグ共鳴が誘発された。
• フォトニックモードが格子に結合され、共鳴的光-物質相互作用が可能となった。
• 共鳴励起下での系のスペクトル応答を分析することで、ファノ干渉が評価された。
• 格子周期性および原子位置を関数として散乱損失を測定し、幾何学的依存性を確認した。
• ファイバーオプティカル通信との互換性を確保するため、系は通信バンド（1550 nm）で動作した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イテルビウム原子の周期的配置がフォトニックマイクロレゾネータ内での光発光に与える影響は何か？
• RQ2 格子間隔が通信波長域で散乱損失をどの程度低減できるか？
• RQ3 希土類元素イオンの格子において、フォトニクス回路内でファノ干渉を観測し、利用可能か？
• RQ4 個々の原子セグメントの正確な配置は発光にどの程度感度に依存するか？
• RQ5 ブラッグ共鳴が発光特性の強化または変更に果たす役割は何か？

主な発見

• 設計された1次元イオン格子により、通信波長域でブラッグ共鳴が成功裏に誘発された。
• 格子周期性と一致する波長域で散乱損失が顕著に低減された。
• 光発光は原子位置および格子間隔の両者に強く依存することが示された。
• 系内における共鳴的フォトニックモード間でファノ干渉が観測され、強い結合効果が示された。
• フォトニックマイクロレゾネータ内での原子位置の幾何学的設計により、発光制御が向上した。
• 結果から、周期的原子格子を用いて集積シリコンフォトニクスにおける光発光を設計可能であることが確認された。