[論文レビュー] Spectral Engineering with Coupled Microcavities: Active Control of Resonant Mode-Splitting

Mário C. M. M. Souza, Guilherme F. M. Rezende+4 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 14被引用数 47

ひとこと要約

本論文では、統合されたマイクロヒーターを介して反対方向に伝播するモードを選択的に励振することにより、最小限の共振エネルギーのシフトで広帯域で能動的に制御可能なモード分裂を実現する熱的に可変の結合マイクロリングレゾネータを提示する。主な革新点は、チューニング機構をターゲットモードから分離することで、最大80 GHzのモード分裂を達成し、熱的クロストークの影響のみが共振エネルギーのシフトを制限する要因となることである。

ABSTRACT

Optical mode-splitting is an efficient tool to shape and fine-tune the spectral response of resonant nanophotonic devices. The active control of mode-splitting, however, is either small or accompanied by undesired resonance shifts, often much larger than the resonance-splitting. We report a control mechanism that enables reconfigurable and widely tunable mode-splitting while efficiently mitigating undesired resonance shifts. This is achieved by actively controlling the excitation of counter-traveling modes in coupled resonators. The transition from a large splitting (80 GHz) to a single-notch resonance is demonstrated using low power microheaters (35 mW). We show that the spurious resonance-shift in our device is only limited by thermal crosstalk and resonance-shift-free splitting control may be achieved.

研究の動機と目的

• 顕著な共振エネルギーのシフトを伴わず、広帯域でチューナブルなモード分裂を統合ナノフォトニクス素子で実現する挑戦に応えること。
• 閉じた光路における位相変化に起因する、従来のチューニング手法が引き起こす大きな不必要な共振エネルギーのシフトという根本的制限を克服すること。
• チューニング作用をターゲットとなる共鳴モードから分離する制御機構を開発し、余計なシフトを最小限に抑えること。
• 実験的に、熱的クロストークの影響のみが制限要因である限り、共振エネルギーのシフトなしのモード分裂が原理的に達成可能であることを示すこと。

提案手法

• 時計回り（CW）および反時計回り（CCW）の進行モードを励起できるように、3つのリング（R1外部、R2およびR3埋め込み）を有する結合マイクロリングレゾネータ構造を用いる。
• ニクロムとチタン/ゴールドからなる局所的マイクロヒーター（H1、H2、H3、H23）を用い、熱光沢効果により特定のマイクロリング部の屈折率を熱的にチューニングする。
• 両方の埋め込みリング（H23）を同時にチューニングするか、または片方をデチューニングすることで、CW-CCW結合強度を調整し、モード分裂を制御する。
• チューニングが埋め込みリング（R2、R3）に施された場合、ターゲットスーパーモード（例：R1、R2）はほとんど影響を受けないという事実を活用し、加熱領域との重なりを最小限に抑える。
• スーパーモードスペクトルの進化（モード反クロス、熱的クロストーク効果を含む）をモデル化・再現するために、位相および減衰パラメータを用いた伝達行列法（TMM）を用いる。
• 実験結果をTMMシミュレーションと照合し、ループごとの位相（φi）、減衰（ai）、結合係数（κi、tij）などのパラメータを調整して測定スペクトルに一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結合マイクロキャビティにおいて、最小限の共振エネルギーのシフトで能動的モード分裂制御が可能か？
• RQ2 チューニング作用をターゲットモードから分離することで、大規模な分裂と低シフトを同時に達成できるか？
• RQ3 実験デバイスにおける残存共振エネルギーシフトの主な要因は何か？
• RQ4 代替のチューニング機構を用いれば、原理的に共振エネルギーのシフトなしのモード分裂が達成可能か？

主な発見

• 1つの埋め込みリング（R3）のみをデチューニングした場合、最大80 GHzのモード分裂が達成され、広帯域チューナビリティが実証された。
• H23ヒーターを用いた場合、17.7 mWで約30 GHzの分裂が得られ、1.8 GHz/mWの割合で線形に増加した。
• 外部リングにおける不要な共振エネルギーのシフトはわずか1.5 GHz/mWに抑えられ、他のチューニング方式と比較して顕著に低減された。
• TMMシミュレーションにより、観測された小さなシフトが、内在的なモード反クロス分散ではなく、熱的クロストークに起因することが確認された。
• 理論的モデル化により、1つのリングのみをデチューニングした場合、制御されるスーパーモードはほぼ分散なしの挙動を示し、共振エネルギーのシフトなしの制御が可能である可能性が示された。
• 結果から、キャリア注入や電気光学効果などの代替チューニング機構を用いることで、熱的クロストークを排除し、超高速・低消費電力のモード分裂制御が実現可能であると示唆された。