[논문 리뷰] Interferometric cavity ring-down technique for ultra-high Q-factor microresonators

Stefano Biasi, Riccardo Franchi외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 16.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 표면 거칠기로 인한 산란으로 인해 모드 간 결합이 발생하는 초고Q 미세공진기에서의 궁극적 Q계수를 측정하기 위해 간섭계적 공진기 데드링(이하 CRD) 기법을 제안한다. 제어된 위상차를 가진 시계, 반시계 방향 모드를 위상적으로 자극함으로써 공진 이중선이 단일 루르티언 응답으로 융합되며, 이는 표준 지수 감쇠 분석을 통해 광자 수명과 궁극적 내재 Q계수를 추출할 수 있게 한다. 이는 표면 거칠기로 인한 비헤르미트형 결합이 존재하는 상황에서도 가능하다.

ABSTRACT

Microresonators (MRs) are key components in integrated optics. As a result, the estimation of their energy storage capacity as measured by the quality factor (Q) is crucial. However, in MR with high/ultra-high Q, the surface-wall roughness dominates the intrinsic Q and generates a coupling between counter-propagating modes. This splits the usual sharp single resonance and makes difficult the use of classical methods to assess Q. Here, we theoretically show that an interferometric excitation can be exploited in a Cavity Ring-Down (CRD) method to measure the ultimate Q of a MR. In fact, under suitable conditions, the resonant doublet merges into a single Lorentzian and the time dynamics of the MR assumes the usual behavior of a single-mode resonator unaffected by backscattering. This allows obtaining a typical exponential decay in the charging and discharging time of the MR, and thus, estimating its ultimate Q by measuring the photon lifetime.

연구 동기 및 목표

• 표면 거칠기로 인한 산란으로 인해 공진선이 이중선으로 분리지는 초고Q 미세공진기에서 궁극적 Q계수를 정확히 측정하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 고Q 시스템에서 비루르티언 형선형 및 진동 감쇠 특성을 보이는 전통적 Q계수 추정 방법이 실패하는 문제를 극복하기 위해.
• 간섭계적 자극이 단일 모드 지수 감쇠 역학을 복원함으로써 신뢰할 수 있는 광자 수명 측정이 가능하다는 것을 보여주기 위해.
• 실제 제조 흠결로 인한 비헤르미트형 결합에 대해 유효한 방법임을 검증하기 위해.
• 링 공진기 외에도 포토닉 크리스탈 및 박막 공진기와 같은 다른 공진기 기하형상으로 일반화할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따른 연립모드 이론을 활용하여 버스 웨이브가이드에 연결된 미세공진기 내 시계 및 반시계 방향 모드 간의 상호작용을 모델링한다.
• 좌우 입력 포트에서 제어된 위상차 φ를 가진 간섭계적 위상 자극을 사용하여 시스템의 응답을 설계한다.
• 그린 함수를 통해 연립 미분방정식을 풀어, 직사각형 펄스 자극 하에서의 장력 진폭을 계산한다.
• 출력 장력을 그린 함수와 입력 펄스의 콘볼루션을 통해 유도함으로써 데드링 행동의 시간 영역 분석이 가능해진다.
• 핵심 혁신은 이중선이 단일 루르티언으로 융합되도록 입력 장력의 위상 및 진폭을 조절하는 것이다.
• 광자 수명 τph는 충전 및 방전 단계의 감쇠 응답의 지수 감쇠 외곽선에서 추출되며, 이는 직접적으로 궁극적 Q계수를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간섭계적 자극이 초고Q 미세공진기에서 산란으로 인한 모드 분리 효과를 억제하여 단일 모드 데드링 응답을 복원할 수 있는가?
• RQ2 반대 방향으로 진행하는 모드가 형성하는 공진 이중선이 어떤 조건에서 단일 루르티언 피크로 붕괴되는가?
• RQ3 간섭계적 CRD 방법이 표면 거칠기로 인한 비헤르미트형 결합이 존재하는 상황에서도 궁극적 Q계수를 정확히 측정할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 보존적(헤르미트형) 및 소산적(비헤르미트형) 결합 영역 모두에 적용 가능한가?
• RQ5 이 기법은 링 공진기 외의 다른 미세공진기 기하형상으로 일반화 가능한가?

주요 결과

• 간섭계적 자극은 공진 이중선을 단일 루르티언 응답으로 융합하여 표준 공진기 데드링 분석이 가능하게 했다.
• 시간 영역 응답은 충전 및 방전 단계에서 깔끔한 지수 감쇠를 보이며, 산란 영향 없이 단일 모드 공진기의 특성을 나타낸다.
• 광자 수명 τph는 감쇠 외곽선에서 정확히 측정 가능하며, 이는 궁극적 Q계수의 직접 추정을 가능하게 한다.
• 이 방법은 헤르미트형 및 비헤르미트형 결합 영역 모두에 유효하며, 실제 제조 흠결로 인한 비이상적 특성에 대한 강건성을 보였다.
• 이 기법은 이론적으로 구형, 박막 및 포토닉 크리스탈 미세공진기와 같은 다른 공진기 기하형상으로 일반화 가능하다.
• 이 방법은 고스펙트럼 해상도가 필요 없이 Q계수 측정이 가능하여 초고Q 시스템의 핵심 한계를 극복한다.