[논문 리뷰] Demonstrating a non-reciprocal optical resonator for unlimited time-bandwidth performance

Ivan Cardea, Davide Grassani외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 5인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 루프레츠 상호성 원리를 위반하는 시간에 따라 변화하는 섬유광학 공진기 구조를 이용해 비상호성 광 공진기를 구현함으로써, 기존의 1이라는 제한을 훨씬 초월한 시간-대역폭 곱 30을 달성한다. 공진기를 열어 넓은 대역의 펄스를 주입하고, 이후 빠르게 닫아 펄스를 저장 및 필요에 따라 방출함으로써, 기존의 대역폭과 저장 시간 사이의 근본적 상충 관계를 효과적으로 제거한 초고속, 넓은 대역의 광 저장을 실현한다.

ABSTRACT

Typical, reciprocal resonant systems are always limited to a time-bandwidth product of 1, causing a fundamental trade-off between long storage times and large acceptance bandwidths. A recent theory suggests that this limit may be arbitrarily overcome by breaking Lorentz reciprocity. We report an experimental realization of this concept using a time-variant fiber-optic cavity, where we can completely open the cavity, injecting a pulse of large bandwidth, and then close the cavity, storing the pulse and releasing it on-demand at a later time. We attain a time-bandwidth product of 30 and show that, although in practice it is only limited by experimental constraints, there is virtually no upper theoretical limit. Our results open the path for designing resonant systems that are broadband and ultrafast, while simultaneously allowing long interaction times, thereby unleashing fundamentally new functionalities in wave physics and light-matter interactions.

연구 동기 및 목표

• 기존의 상호성 공진 시스템에서의 기본적인 시간-대역폭 곱 한계 1을 극복하기 위해.
• 루프레츠 상호성 원리를 위반함으로써 비상호성 공진기에서 시간-대역폭 곱을 임의로 크게 만들 수 있음을 입증하기 위해.
• 시간에 따라 변화하는 광 공진기를 활용해 넓은 대역의 펄스 저장 및 필요 시 방출이 가능한 실용적이고 실험적으로 구현 가능한 시스템을 실현하기 위해.
• 비상호성 조건 하에서 시간-대역폭 곱의 이론적 상한선이 실제로 무한대임을 검증하기 위해.

제안 방법

• 빠른 광 스위치를 사용해 동적으로 공진기를 열고 닫는 시간에 따라 변화하는 섬유광학 공진기의 구현.
• 시간에 따라 변화하는 굴절률을 이용해 루프레츠 상호성 원리를 위반하고, 비상호성 광 전파 및 저장을 가능하게 함.
• 공진기가 열려 있을 때 넓은 대역의 광 펄스를 주입한 후, 빠르게 닫아 공진기 내부에 펄스를 갇힘.
• 지정된 시간에 공진기를 再개방하여 저장된 펄스를 필요에 따라 방출함으로써 정밀한 시간 제어를 실현.
• 비상호성 행동을 기술하고 시간-대역폭 성능을 예측하기 위해 시간에 따라 변화하는 시스템 모델을 활용.
• 펄스 지속시간과 스펙트럼 대역폭 측정을 통해 시간-대역폭 곱의 실험적 검증 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비상호성 광 공진기는 기존의 시간-대역폭 곱 한계 1을 초월할 수 있는가?
• RQ2 시간에 따라 변화하는 공진기에서 루프레츠 상호성 원리를 위반함으로써 시간-대역폭 곱은 어느 정도까지 증가시킬 수 있는가?
• RQ3 스펙트럼 폭을 손상시키지 않고도 넓은 대역의 펄스 저장과 긴 상호작용 시간을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 동적 공진기 제어 방식은 고대역의 광 펄스를 필요에 따라 저장 및 방출하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 비상호성 공진 시스템에서 시간-대역폭 성능의 실용적 및 이론적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 실험적으로 시간-대역폭 곱 30을 달성하여 기존의 상호성 시스템에서의 1이라는 제한을 크게 초월하였다.
• 최소한의 왜곡으로 넓은 대역의 펄스 주입 및 저장이 가능함을 확인하여 고대역 운영의 실현 가능성을 입증하였다.
• 시간에 따라 변화하는 공진기 설계가 루프레츠 상호성 원리를 성공적으로 위반하여, 시간-대역폭 상충 관계를 극복하는 데 필수적인 비상호성 행동을 실현하였다.
• 시간-대역폭 곱은 실험적 제약 조건에만 국한되며, 이론적으로는 상한선이 없어 임의로 큰 값을 가질 수 있음을 시사한다.
• 고정밀도로 필요 시 펄스를 방출하는 것이 가능하여, 광 저장 및 회수에 대한 실용적인 제어 능력을 입증하였다.
• 비상호성 시스템이 원칙적으로 무한대의 시간-대역폭 성능을 달성할 수 있음을 이론적 예측과 일치시켜 검증하였다.