[論文レビュー] Bound states in the continuum in low-contrast fiber Bragg gratings

Xingwei Gao, Chia Wei Hsu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、低対称性のファイバー・ブレグ・グレーティングにおいて、破壊的干渉による高・低Qファクター帯間の干渉によって光が閉じ込められる、連続状態における束縛状態（BICs）の存在を示している。数値シミュレーションと二モード結合モデルを用いて、著者らはBICsが最小限の屈折率対称性でさえも持続することを示し、フィルター、センサ、レーザーへの応用を想定した、標準的な光ファイバーにおけるロバストで高Qの光ガイドを実現可能としている。

ABSTRACT

In typical waveguides and optical fibers, light is confined through total internal reflection or through photonic bandgaps. Bound states in the continuum (BICs) confine light through destructive interference and promise many unique applications, yet they have never been found in optical fibers. Here, we show the existence of BICs in fibers with periodic Bragg gratings. Importantly, we find such BICs to persist even with the very small grating index contrasts that are available in typical fiber Bragg gratings. With numerical simulations and an analytical two-mode coupling analysis, we show that these BICs arise from the coupling between a high-quality-factor band and a low-quality-factor band. This finding opens the possibility of guiding light with BICs in optical fibers and their applications in fiber filters, sensors, and lasers.

研究の動機と目的

• 低屈折率対称性を持つブレグ・グレーティングを有する光ファイバーに、連続状態における束縛状態（BICs）が存在するかどうかを調査すること。
• 高屈折率対称性を必要としない標準的な光ファイバーにおいて、ロバストな光閉じ込めを達成する挑戦に応えること。
• フィルター、センサ、レーザーなどのファイバー駆動光子デバイスにおけるBICsの実用的応用の可能性を調査すること。
• 周期的ファイバー構造におけるBIC形成の物理的メカニズムを、解析的および数値的手法を用いて分析すること。

提案手法

• 低屈折率対称性の周期的ブレグ・グレーティングを有するファイバーにおける光伝搬をモデル化するための数値的シミュレーションを実施する。
• 高Q帯と低Q帯の間の相互作用を解析的に記述するための二モード結合理論を適用する。
• 弱いグレーティング対称性下でも、破壊的干渉がBIC形成に寄与する条件を同定する。
• 固有モード解析とQファクター計算を通じて、BICの存在と安定性を検証する。
• シミュレートされたバンド構造と解析的予測を比較し、BIC形成におけるモード結合の役割を確認する。
• グレーティングパラメータの変動や構造的不備に対するBICのロバスト性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なファイバー・ブレグ・グレーティングに特徴的な低屈折率対称性を持つ光ファイバーに、連続状態における束縛状態（BICs）を実現できるか？
• RQ2 このような低対称性システムにおけるBIC形成を可能にする物理的メカニズムは何か？
• RQ3 結合帯のQファクターは、BICの存在と安定性にどのように影響するか？
• RQ4 実際の製造ばらつきや構造的不備に対して、BICはどの程度持続するか？
• RQ5 ファイバー駆動光子デバイスにおけるBICsの潜在的応用は何か？

主な発見

• 周期的ブレグ・グレーティングを有する光ファイバーにおいて、極めて低い屈折率対称性下でも、連続状態における束縛状態（BICs）が存在することが示された。
• BICsは、二モード結合に起因する高Qファクター帯と低Qファクター帯間の破壊的干渉によって生じる。
• 数値的シミュレーションにより、バンド構造においてほぼ無限大のQファクターを持つBICsの存在が確認され、完全な閉じ込めを示している。
• 解析的二モード結合モデルは、BIC形成の条件を正確に予測でき、メカニズムの妥当性を裏付けている。
• BICsはロバストであり、実際のパラメータ変動に対しても持続可能であり、実用的ファイバー素子に適している。
• 本研究は、標準的ファイバー・プラットフォーム上で高Qの光ガイドを実現可能とするため、BICsをファイバーレーザー、フィルター、センサに応用する道を開いた。