[論文レビュー] Dynamically Reconfigurable Photonic Crystal Nanobeam Cavities

Ian W. Frank, Parag B. Deotare+2 more|ArXiv.org|Sep 11, 2009

Photonic and Optical Devices参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ナノ電気機械システム（NEMS）を介した静電的駆動を用いて、動的に再構成可能なフォトニクスクリスタルナノビームキャビティを実証し、6 V未満のバイアスで最大10 nmの連続的・逆転可能で省電力な波長チューニングを達成した。このチューニングは、電圧制御によるナノビームのたわみによって2つのキャビティ間の結合を調整することで実現され、高精度・低消費電力の再構成可能光学フィルターやセンサーの実現に貢献する。

ABSTRACT

Wavelength-scale, high Q-factor photonic crystal cavities have emerged as a platform of choice for on-chip manipulation of optical signals, with applications ranging from low-power optical signal processing and cavity quantum electrodynamics, to biochemical sensing. Many of these applications, however, are limited by the fabrication tolerances and the inability to precisely control the resonant wavelength of fabricated structures. Various techniques for post-fabrication wavelength trimming and dynamical wavelength control -- using, for example, thermal effects, free carrier injection, low temperature gas condensation, and immersion in fluids -- have been explored. However, these methods are often limited by small tuning ranges, high power consumption, or the inability to tune continuously or reversibly. In this letter, by combining nano-electro-mechanical systems (NEMS) and nanophotonics, we demonstrate reconfigurable photonic crystal nanobeam cavities that can be continuously and dynamically tuned using electrostatic forces. A tuning of ~10 nm has been demonstrated with less than 6 V of external bias and negligible steady-state power consumption.

研究の動機と目的

• プロセスの公差によるオンチップフォトニクスクリスタルキャビティのプロセス後波長制御の限界を克服すること。
• 連続的・逆転可能で低消費電力なチューニング能力を有する動的再構成可能光学プラットフォームの開発。
• 光信号処理、センシング、キャビティ量子電磁力学への応用を想定し、高精度な波長トリミングと再構成を可能にする。
• 結合したナノビームの機械的モードと光学モードを活用し、可変な共鳴周波数を有するオプトメカニカルデバイスを実現すること。
• 定常状態での消費電力が不要な安定的かつ再現可能なチューニングを実現し、デバイスのスケーラビリティと統合可能性を向上させること。

提案手法

• 1次元のホール格子を持つシリコンオンインシュレータ（SOI）プラットフォーム上に、結合したフォトニクスクリスタルナノビームキャビティ（PhCNBs）をプロセスした。
• 2つの浮遊され、電気的に絶縁されたナノビームの間に電圧を印加することで静電的駆動を実現し、吸引力を発生させて間隔を小さくした。
• 有限要素解析を用いて、結合した機械的たわみと光学固有周波数のシフトをモデル化し、偶数スーパーモードがギャップの減少に強く依存することを示した。
• ナノビーム間隔に反比例する2次関数的静電力が印加電圧によって誘発され、連続的チューニングが可能であることを示した。
• 電気的フィードスルーを備えた走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、印加電圧下でのナノビームたわみをリアルタイムで可視化した。
• 実験的に測定した共鳴波長シフトをシミュレーションと比較し、高い感度と再現性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静電的駆動は、フォトニクスクリスタルナノビームキャビティ共鳴周波数の連続的・逆転可能で低消費電力なチューニングを可能にするか？
• RQ2 結合ナノビームの機械的たわみが、特に偶数および奇数スーパーモードの光学スーパーモード周波数にどのように影響を与えるか？
• RQ3 プルイン不安定性を回避しつつ、高Qファクターを維持した状態でチューニング範囲と感度を最適化できる範囲はどの程度か？
• RQ4 環境条件（例：真空 vs. 空気）がデバイスのチューニング性能と安定性に与える影響は何か？
• RQ5 この手法は、実用的で省電力な再構成可能光学素子をオンチップ統合に応用可能か？

主な発見

• 初期ナノビーム間隔が約70 nmのキャビティで、6 V未満のバイアスを用いて実験的に最大9.6 nmのチューニング範囲を達成した。
• 偶数スーパーモードは電圧の増加に伴い強く赤方シフトを示したのに対し、奇数スーパーモードはほぼ静止したままであり、選択的チューニングが可能となった。
• 6 Vバイアス近辺で最大50 nm/Vの感度を達成し、高いチューニング能動性と高精度な制御を示した。
• 再構成後、平衡状態では電流が流れないため、定常状態での消費電力は無視できるほど小さくなった。
• 電気的フィードスルーを備えたSEMイメージングにより、リアルタイムでのナノビームたわみが視覚的に確認され、シミュレーションと良好な一致を示した。
• 真空および大気中両方の条件下でチューニング性能が安定的かつ再現可能であり、挙動に顕著な差は認められなかった。