[論文レビュー] Whispering gallery mode microresonator for nonlinear optics

Yihang Li, Xuefeng Jiang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 254被引用数 20

ひとこと要約

このレビューは、非線形光学におけるフォトニック結晶モード（WGM）マイクロレゾネータの最新の進展を統合的に検討し、超高Qファクターと小さなモード体積が強い光-物質相互作用を可能にすることを強調している。基本的な非線形効果（カー効果、ポックルス効果、高調波生成、四波混合、およびストレイン効果）、熱的およびPT対称系の非線形性、周波数コンブ生成のような級列過程、およびマイクロレーザーや非再帰的デバイスへの応用を詳述している。

ABSTRACT

Whispering gallery mode (WGM) microresonators, benefitting from the ultrahigh quality (Q) factors and small mode volumes, could considerably enhance the light-matter interaction, making it an ideal platform for studying a broad range of nonlinear optical effects. In this review, the progress of optical nonlinear effects in WGM microresonators is comprehensively summarized. First, several basic nonlinear effects in WGM microresonator are reviewed, including not only Pockels effect and Kerr effect, but also harmonic generations, four-wave mixing and stimulated optical scattering effects. Apart from that, nonlinearity induced by thermal effect and in PT-symmetric systems are also discussed. Furthermore, multistep nonlinear optical effects by cascading several nonlinear effects are reviewed, including frequency comb generations. Several selected applications of optical nonlinearity in WGM resonators are finally introduced, such as narrow-linewidth microlasers, nonlinearity induced non-reciprocity and frequency combs.

研究の動機と目的

• フォトニック結晶モード（WGM）マイクロレゾネータにおける非線形光学効果の最新状態を体系的にレビューすること。
• 超高Qファクターと小さなモード体積が非線形光学における光-物質相互作用をどのように強化するかを分析すること。
• 四波混合や周波数コンブ生成を含む、基本的および級列非線形プロセスを調査すること。
• 熱的効果およびPT対称系における新規非線形性の役割を検討すること。
• 狭線幅マイクロレーザー、非再帰的特性、周波数コンブなどの実用的応用を強調すること。

提案手法

• WGMマイクロレゾネータに関する最近の文献からの実験的および理論的結果の収集と統合。
• 非線形光学効果を内在的（カー効果、ポックルス効果、高調波生成）および外在的（熱的、PT対称）メカニズムに分類すること。
• 特に四波混合による周波数コンブ生成に至る級列非線形プロセスの分析。
• モード相互作用および非線形ダイナミクスをモデル化するための結合モード理論および非線形シュレーディンガー型方程式の使用。
• 熱的誘発非線形性モデルおよびパリティ・タイム（PT）対称ハミルトニアンを用いて非エルミート光学系を記述すること。
• デバイス構成、材料プラットフォーム（例：酸化ケイ素、チャルコゲナイド、窒化シリコン）、および実験的実現の体系的提示。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WGMマイクロレゾネータにおける超高Qファクターと小さなモード体積は、非線形光学効果をどのように強化するか？
• RQ2 WGMレゾネータで観測された主要な内在的非線形メカニズム（カー効果、ポックルス効果、高調波生成、四波混合）は何か？
• RQ3 熱的効果およびPT対称系は、これらの系における新しい形の光の非線形性をどのように寄与するか？
• RQ4 級列非線形プロセスは、WGMマイクロレゾネータにおける周波数コンブ生成を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 統合フォトニクスおよび光センシング分野における非線形WGMマイクロレゾネータの最も有望な応用は何か？

主な発見

• WGMマイクロレゾネータは10^9を超えるQファクターを達成し、強い光-物質相互作用と低しきい値非線形効果を実現している。
• 最適化された系では、WGMレゾネータにおける四波混合が、変換効率が10%を超える側帯生成を実現している。
• 級列四波混合による周波数コンブ生成は、マイクロトロイドおよびマイクロディスクレゾネータで実験的に実現されており、繰り返し周波数は数十GHzに達している。
• WGMレゾネータにおける熱的非線形性は、自己パルス発振ダイナミクスおよびバイステーブルを引き起こし、すべて光スイッチングおよびメモリ効果を可能にしている。
• PT対称WGM系は、スペクトル内の特異点に起因して一方向発光および光学センシングにおける感度向上を示しており、優れた性能を発揮している。
• 非線形性に起因する非再帰的特性は、WGMレゾネータで実証されており、概念実証デバイスでは隔離比が30 dBを超える光学ダイオードが実現されている。