[論文レビュー] Parity-time-symmetric coupled microring lasers operating around an exceptional point

Hossein Hodaei, Mohammad‐Ali Miri+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 29被引用数 126

ひとこと要約

本論文は、特異点近くで動作するパリティ・タイム（PT）対称性を利用することで、スペクトル的多重モード型マイクロリングレーザーにおいて安定な単一モードレーザー発振を実証している。2つの結合したマイクロリング共振器（一方は増幅付き、他方は損失付き）を差別的に励起することで、特異点における位相転移を誘発し、レーザー発振が高QのPT破れモードに限定される。これにより、温度制御によって3 nmを超える連続的な波長チューニングが可能となる。

ABSTRACT

The behavior of a parity-time (PT) symmetric coupled microring system is studied when operating in the vicinity of an exceptional point. Using the abrupt phase transition around this point, stable single-mode lasing is demonstrated in spectrally multi-moded micro-ring arrangements.

研究の動機と目的

• PT対称結合を用いて、本質的に多重モード型であるマイクロリングレーザーにおいて、単一モードレーザー発振を実験的に実証すること。
• 特異点が非エルミート光子系におけるモード安定化に果たす役割を調査すること。
• 半導体のサーモオプティカル効果を活用して、単一モードPTレーザーにおける連続的な波長チューニングを達成すること。
• マイクロリング共振器間の増幅-損失対比および結合強度を調整することで、レーザー発振行動を制御すること。

提案手法

• 時間的カップルド・モード理論を用いてカップルドマイクロリング系をモデル化し、式 (1) から得られる固有振動数 𝜔𝑛(1,2) = 𝜔𝑛 + i(𝛾𝑎𝑛+𝛾𝑏𝑛)/2 ± √𝜅𝑛² − ((𝛾𝑎𝑛−𝛾𝑏𝑛)/2)² を導出する。
• 結合強度 𝜅𝑛 を近接場重なりによって制御可能な50–300 nmの間隔を有するInGaAsPベースのマイクロリング対をフォトリソグラフィーで作製する。
• 刃先を用いて励起光を差別的に遮断することで、一方のリングにのみ損失を導入し、他方のリングに増幅を維持することで、特異点を通過する。
• 均一に励起された状態における波長分裂を測定することで結合強度を評価し、リング間隔に指数関数的依存性があることを確認する。
• 270–300 Kの温度制御を用い、サーモオプティカル係数 (𝑑𝑛/𝑑𝑇 ~10⁻⁴ K⁻¹) を活用して連続的なスペクトルチューニングを実現する。
• CCDカメラと高分解能分光計器（0.4 nm分解能）を用いて発光スペクトルおよび強度分布をモニタリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロリングレーザーにおけるPT対称結合は、本質的に多重モード型の系においても単一モード動作を強制できるか？
• RQ2 特異点を通過する際の系の挙動はいかなるものか？また、PT破れモードはレーザー安定性においてどのような役割を果たすか？
• RQ3 モードホッピングを伴わずに、PT対称マイクロリングレーザーでどの程度の波長チューニングが達成可能か？
• RQ4 結合強度および増幅-損失対比が特異点を通過する遷移に与える影響はいかほどか？

主な発見

• 特異点（|𝛾𝑎𝑛−𝛾𝑏𝑛| = 2𝜅𝑛）において、2つのスーパーーモードが実部および虚部の両方で重なり合い、急激な位相転移が生じる。
• 特異点を通過した後、増幅リングに局在化したPT破れモードのみが十分な増幅を示し、単一モード発振を実現する。
• 単一モードレーザーの線幅は約10 GHzで測定され、高いスペクトル純度が確認された。
• 30 Kの温度範囲（270–300 K）で3.3 nmの連続的な波長チューニングが達成され、単一モード動作が維持された。
• さらなる温度上昇により自由スペクトル範囲のジャンプが生じ、増幅スペクトルのシフトに起因して追加で3.3 nmのチューニング範囲が得られた。
• 結合強度は実験的に約10¹² s⁻¹のオーダーで測定され、リング間隔に指数関数的依存性を示し、シミュレーションと整合的であった。