[論文レビュー] Evolutionarily optimized ultrahigh-Q photonic crystal nanocavity

Ulagalandha Perumal Dharanipathy, Momchil Minkov+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2013

Photonic Crystals and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、1.59 µmの波長で測定されたQファクター400,000を達成する、シリコンスラブにおける進化的に最適化されたフォトニクスクリスタルナノキャビティを提示している。理論的モード体積は0.34(λ/n)³であり、集積フォトニクス回路に適した高いQ/V比を実現している。強い光閉じ込めと非線形効果により、超低閾値の光学バイスティーブリティを示している。

ABSTRACT

We fabricate and experimentally characterize a $H0$ photonic crystal slab nanocavity with a design optimized for maximal quality factor, $Q = 1.7$ million. The cavity, fabricated from a silicon slab, has a resonant mode at $\lambda = 1.59 \mathrm{\mu m}$ and a measured $Q$-factor of $400,000$. It displays nonlinear effects, including high-contrast optical bistability, at a threshold power among the lowest ever reported for a silicon device. With a theoretical modal volume as small as $V = 0.34(\lambda/n)^3$, this cavity ranks among those with the highest $Q/V$ ratios ever demonstrated, while having a small footprint suited for integration in photonic circuits.

研究の動機と目的

• 光物質相互作用を強化するために、最大の品質因子（Q）を有するフォトニクスクリスタルナノキャビティの設計およびプロトタイピングを目的とする。
• 高いQを維持したままモード体積を最小限に抑えることで、高いQ/V比を達成し、強い光学的閉じ込めを実現することを目的とする。
• シリコンベースのプラットフォーム上で、極めて低い入射光パワー閾値で高対比光学バイスティーブリティを含む非線形光学効果を実証することを目的とする。
• コンactなフォトニクス回路への超高Qナノキャビティの統合を、コンactなフォームファクターとスケーラブルなプロセスを用いて可能にすることを目的とする。

提案手法

• 最大のQファクターを達成するため、フォトニクスクリスタルスラブの幾何形状を進化的アルゴリズムで最適化する。
• 高い屈折率対比と強い光学的閉じ込めを実現するため、シリコン膜から最適化されたナノキャビティ構造をプロセスする。
• 近接場走査光学顕微鏡または同等の技術を用いて光学応答を測定し、Qファクターおよび共鳴波長を特定する。
• 入力出力伝送曲線の解析を通じて非線形効果を特徴づけ、光学バイスティーブリティおよび閾値パワーを同定する。
• 電磁界モードシミュレーションを用いて理論的モード体積Vを計算し、Q/V比を決定する。
• λ = 1.59 µmにおけるQファクターおよび非線形挙動の実験的測定を通じて、設計の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクスクリスタルの幾何形状を進化的に最適化することで、シリコンにおいて100万を超えるQファクターを有するナノキャビティを達成できるか？
• RQ2 最適化された幾何形状を有するプロトタイプシリコンナノキャビティにおける実現可能なQファクターとモード体積は何か？
• RQ3 最適化されたナノキャビティにおいて、光学バイスティーブリティはどの入射光パワー閾値で出現するか？
• RQ4 プロトタイプデバイスのQ/V比は、他の最先端ナノキャビティと比較してどの程度か？
• RQ5 高いQと小さなVのおかげで、最小限のパワーで強力な非線形効果を発現できるか？

主な発見

• プロトタイプナノキャビティは、共鳴波長1.59 µmにおいて測定されたQファクター400,000を達成し、高い光学的品質を示した。
• 理論的モード体積は0.34(λ/n)³と計算され、光学モードの強い空間的閉じ込めを示している。
• シリコンベースデバイスとしては報告された中で最も低い閾値パワーの一つで、高対比光学バイスティーブリティを示した。
• ナノキャビティのQ/V比は、これまでに報告された中で最も高い水準に位置し、優れた光の閉じ込めと保存を示している。
• キャビティのコンactなフォームファクターは、フォトニクス統合回路への統合に適している。
• 実験結果は、進化的最適化が高性能ナノフォトニクス素子の設計に有効であることを裏付けている。