[논문 리뷰] Integrated Ultra-High-Q Optical Resonator

Ki Youl Yang, Dong Yoon Oh외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 16.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기존의 초고품질(Q) 인덕터를 초월하는 2억 이상의 기록적인 Q 인덕터를 갖춘 통합 리지 광학 공진기를 제시하며, 단일 박막 플랫폼에서 초저손실 및 유연한 설계를 실현한다. 이는 고공진성 브릴루아인 레이저와 조정 가능한 솔리톤 소스를 단일 칩에서 실현함으로써 이질적인 초고품질 마이크로공진기와 통합 나노광학 회로 간의 성능 격차를 메운다.

ABSTRACT

Optical microcavities are essential in numerous technologies and scientific disciplines. However, their application in many areas relies exclusively upon discrete microcavities in order to satisfy challenging combinations of ultra-low-loss performance (high cavity-Q-factor) and cavity design requirements. Indeed, finding a microfabrication bridge connecting ultra-high-Q device functions with micro and nanophotonic circuits has been a long-term priority of the microcavity field. Here, an integrated ridge resonator having a record Q factor over 200 million is presented. Its ultra-low-loss and flexible cavity design brings performance that has been the exclusive domain of discrete silica and crytalline microcavity devices to integrated systems. Two distinctly different devices are demonstrated: soliton sources with electronic repetition rates and high-coherence Brillouin lasers. This multi-device capability and performance from a single integrated cavity platform represents a critical advance for future nanophotonic circuits and systems.

연구 동기 및 목표

• 단일 박막 광학 회로에 초고품질 광학 성능을 통합하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결한다.
• 이질적인 마이크로공진기의 한계를 극복하여 나노광학 시스템과의 칩 내 호환성을 실현한다.
• 단일 통합 공진기 플랫폼 내에서 솔리톤 생성 및 브릴루아인 레이저 기능을 동시에 실현하는 다기능 기능을 보여준다.
• 이전에는 이질적인 실리카 또는 결정성 마이크로공진기에서만 가능했던 성능을 통합형, 확장 가능한 형식으로 실현한다.

제안 방법

• 초고품질, 초저손실 다이에렉트릭 물질 플랫폼을 사용하여 리지형 광학 공진기를 설계 및 제작한다.
• 산란 손실과 복사 손실을 최소화하기 위해 공진기 기하구조 및 측면면의 매끄러움을 최적화한다.
• 공진기를 칩 내 파이프라인 및 제어 요소와 결합하기 위해 단일체 통합 기법을 구현한다.
• 고품질 Q 인덕터를 활용하여 솔리톤 형성 및 유도 브릴루아 산란과 같은 비선형 광학 과정을 지원한다.
• 공진기의 효과적 길이를 능동 제어함으로써 솔리톤 소스의 반복 주기를 전자적으로 조절할 수 있도록 한다.
• 이중 기능을 실현: 동일한 통합 공진기에서 고공진성 솔리톤 생성과 고공진성 브릴루아인 레이저를 동시에 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 리지 공진기가 이질적인 초고품질 마이크로공진기 수준의 Q 인덕터를 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 칩 내 공진기에서 솔리톤 기반 주파수 커브 생성과 고공진성 브릴루아인 레이저를 통합할 수 있는가?
• RQ3 리지 공진기의 설계가 초저손실과 함께 설계의 융통성 있는 공진기 설계를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 기록적인 Q 인덕터를 달성함으로써 통합 광학 회로의 성능을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 완전히 통합된 초고품질 플랫폼에서 솔리톤 반복 주기를 전자적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 통합 리지 공진기는 2억 이상의 Q 인덕터를 달성하여 칩 상 광학 공진기의 기록을 경신한다.
• 전자적 주기 조절이 가능한 반복 주기를 갖는 솔리톤 형성에 의한 고공진성 주파수 커브 생성이 가능해졌다.
• 동일한 통합 공진기에서 고공진성 브릴루아인 레이저가 실험적으로 구현되어 다기능성 능력이 확인되었다.
• 플랫폼은 초저손실 작동을 지원하면서도 설계의 융통성을 유지하여 나노광학 회로와의 통합이 가능하다.
• 결과적으로 통합 마이크로공진기는 이제 이질적인 실리카 및 결정성 마이크로공진기의 성능을 따라할 수 있게 되었다.
• 단일 플랫폼이 두 가지 별개의 고성능 광학 기능을 동시에 지원함으로써 복잡한 칩 내 광학 시스템으로의 전환에 중요한 단계를 마련했다.