[논문 리뷰] Dynamically Reconfigurable Photonic Crystal Nanobeam Cavities

Ian W. Frank, Parag B. Deotare외 2명|ArXiv.org|2009. 09. 11.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 나노전기기계시스템(NEMS)를 통해 정전력 작동을 이용한 동적 재구성 가능한 광결정 나노빔 공진기의 구현을 보여주며, 6 V 이하의 전압을 사용하여 최대 10 nm의 연속적이고 가역적이며 에너지 효율적인 파장 조정을 달성한다. 이 조정 능력은 전압 제어의 나노빔 굽힘에 의해 두 공진기 간의 결합을 조절함으로써 가능해지며, 고정밀, 저전력의 재구성 가능한 온치 광학 필터 및 센서를 실현한다.

ABSTRACT

Wavelength-scale, high Q-factor photonic crystal cavities have emerged as a platform of choice for on-chip manipulation of optical signals, with applications ranging from low-power optical signal processing and cavity quantum electrodynamics, to biochemical sensing. Many of these applications, however, are limited by the fabrication tolerances and the inability to precisely control the resonant wavelength of fabricated structures. Various techniques for post-fabrication wavelength trimming and dynamical wavelength control -- using, for example, thermal effects, free carrier injection, low temperature gas condensation, and immersion in fluids -- have been explored. However, these methods are often limited by small tuning ranges, high power consumption, or the inability to tune continuously or reversibly. In this letter, by combining nano-electro-mechanical systems (NEMS) and nanophotonics, we demonstrate reconfigurable photonic crystal nanobeam cavities that can be continuously and dynamically tuned using electrostatic forces. A tuning of ~10 nm has been demonstrated with less than 6 V of external bias and negligible steady-state power consumption.

연구 동기 및 목표

• 제작 허용 오차로 인해 온치 광결정 공진기의 후공정 파장 제어에 한계가 존재하는 문제를 해결하기 위해.
• 연속적이고 가역적이며 저전력 조정 능력을 갖춘 동적 재구성 가능한 광학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 광신호 처리, 센서, 그리고 공진자 양자전자역학 분야에서 고정밀 파장 트리밍 및 재구성 기능을 가능하게 하기 위해.
• 결합된 나노빔 기계 모드와 광학 모드를 활용하여 조절 가능한 공진 주파수를 갖는 온오프 미커로닉스 장치를 설계하기 위해.
• 정적 전력 소비 없이 안정적이고 재현 가능한 조정을 실현하여 장치의 확장성과 통합 가능성 향상시키기 위해.

제안 방법

• 일차원 구멍 격자를 갖는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼에 제작된 결합된 광결정 나노빔 공진기(PhCNBs)를 사용한다.
• 두 개의 스텝된 전기적으로 분리된 나노빔 간에 전압을 인가하여 정전력 작동을 통해 서로를 끌어당기는 힘을 유도하고 간격을 감소시킨다.
• 유한요소 시뮬레이션을 활용하여 결합된 기계적 굽힘과 광학 고유주파수 이격을 모델링하며, 짝수 초모드가 간격 감소에 따라 강하게 영향을 받는다는 것을 보여준다.
• 나노빔 간격에 반비례하는 제곱형 정전력 힘을 인가함으로써 연속적인 조정이 가능하다.
• 전기적 피드스루를 갖춘 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 적용된 전압 하에서 실시간 나노빔 굽힘을 시각화한다.
• 실험적으로 공진 파장 이격을 측정하고 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 높은 민감도와 재현 가능성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정전력 작동을 통해 광결정 나노빔 공진기의 공진 주파수를 연속적이고 가역적이며 저전력으로 조정할 수 있는가?
• RQ2 결합된 나노빔의 기계적 굽힘이 광학 초모드 주파수, 특히 짝수 및 홀수 초모드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 높은 Q 인자와 피로 인스티빌리티를 피하면서 조정 범위와 민감도를 얼마나 최적화할 수 있는가?
• RQ4 환경 조건(예: 진공 대 대기)이 장치의 조정 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법은 실용적이고 에너지 효율적인 재구성 가능한 온치 광학 부품을 온치 통합에 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 초기 나노빔 간격 약 70 nm인 공진기에서 6 V 이하의 전압을 인가하여 실험적으로 최대 9.6 nm의 조정 범위를 구현하였다.
• 짝수 초모드는 전압 증가에 따라 강한 적색 이동을 보였고, 홀수 초모드는 거의 정지해 있어 선택적 조정이 가능했다.
• 6 V 전압 근처에서 최대 민감도 50 nm/V를 달성하여 높은 조절 가능성과 정밀 제어 능력을 입증하였다.
• 재구성 후 평형 상태에서 전류가 흐르지 않기 때문에, 장치는 재구성 후 정적 전력 소비가 거의 없었다.
• 전기적 피드스루를 갖춘 SEM 영상로 실시간 나노빔 굽힘을 명백히 확인하였으며, 이는 시뮬레이션 결과와 양호한 일치를 보였다.
• 진공 및 대기 조건 모두에서 조정 성능이 안정적이고 재현 가능했으며, 행동에 유의미한 차이가 없었다.