[논문 리뷰] PT-symmetric microring lasers: Self-adapting broadband mode-selective resonators

Hossein Hodaei, Mohammad‐Ali Miri외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 08.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실험적으로 PT 대칭성 미크로링 레이저 캐비티가 특정 모드에 대한 이득을 선택적으로 증가시킴으로써, 증폭 대역폭 내에 여러 모드가 존재하는 상황에서도 안정적인 단일 종방향 모드 작동을 가능하게 한다. 이 방법은 외부 필터 없이 모드 선택성을 달성하며, 다중모드 공진기에서 강건하고 광대역이며 자가 적응형 레이저 작동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate experimentally that stable single longitudinal mode operation can be readily achieved in PT-symmetric arrangements of coupled microring resonators. Whereas any active resonator is in principle capable of displaying single-wavelength operation, selective breaking of PT-symmetry can be utilized to systematically enhance the maximum achievable gain of this mode, even if a large number of competing longitudinal or transverse resonator modes fall within the amplification bandwidth of the inhomogeneously broadened active medium. This concept is robust with respect to fabrication tolerances, and its mode selectivity is established without the need for additional components or specifically designed filters. Our results may pave the way for a new generation of versatile cavities lasing at a desired longitudinal resonance. Along these lines, traditionally highly multi-moded microring resonator configurations can be fashioned to suppress all but one longitudinal mode.

연구 동기 및 목표

• 외부 모드 필터 없이 다중모드 미크로링 공진기에서 안정적인 단일 종방향 모드 작동을 달성하기 위해.
• 결합된 능동-비능동 미크로링 공진기에서의 PT 대칭성 파괴를 활용하여 목표 모드에만 선택적으로 이득을 증가시키기 위해.
• 모드 선택성 레이저 작동에 대한 제조 허용 오차에 대한 강건성을 실험적으로 입증하기 위해.
• 내재된 공진기 동역학을 통해 비균일하게 넓은 이득 매체에서 광대역 모드 선택을 가능하게 하기 위해.
• 자신이 원하는 종방향 모드로 자동으로 선택하고 증폭하는 자가 적응형 레이저 캐비티를 개발하기 위해.

제안 방법

• 능동(이득 매체)과 비능동의 쌍을 이룬 미크로링 공진기를 PT 대칭 구조로 배열한다.
• 다수의 종방향 모드를 증폭 대역폭 내에 수용할 수 있는 비균일하게 넓은 이득 매체를 사용한다.
• 능동 링의 이득을 조절하여 PT 대칭성을 선택적으로 파괴함으로써, 목표 모드가 아닌 모드의 레이저 임계값을 선택적으로 증가시킨다.
• 균형 잃은 이득과 손실을 통한 모드 경쟁 제어를 위해 비헤르미트형 해밀토니안 프레임워크를 활용한다.
• 결합된 공진기 내부의 내재된 모드 경쟁 동역학을 이용하여 단일 종방향 모드의 자가 선택을 실현한다.
• 외부 필터 부품 없이도 실험적 안정성과 광대역 모드 선택성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미크로링 공진기에서의 PT 대칭성 결합이 광대역 이득 매체에서 단일 종방향 모드의 선택적 증폭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 선택적 PT 대칭성 파괴는 결합된 미크로링 캐비티의 모드 경쟁과 레이저 임계값에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 모드 선택성 레이저 작동이 제조 오차와 매개변수 변화에 얼마나 강건한가?
• RQ4 외부 필터 없이 다중모드 미크로링 캐비티가 원하는 종방향 모드로 자가 적응적으로 재구성 가능할 수 있는가?
• RQ5 이러한 시스템에서 PT 대칭성 파괴를 통해 선택된 모드에 대해 달성 가능한 최대 이득 증폭은 얼마인가?

주요 결과

• 외부 필터 없이도 PT 대칭성 미크로링 레이저에서 안정적인 단일 종방향 모드 작동이 실험적으로 입증되었다.
• PT 대칭성의 선택적 파괴는 증폭 대역폭 내에 여러 모드가 존재하는 상황에서도 목표 모드의 최대 이득을 증가시킨다.
• 모드 선택성은 제조 허용 오차에 대해 강건하여 실용 가능성에 기여한다.
• 시스템은 외부 구성 요소 없이 내재된 공진기 동역학을 통해 광대역 모드 선택을 실현한다.
• 이 방법은 기존에 다중모드로 작동하던 미크로링 공진기를 스스로 원하는 공진에 적응함으로써 단일모드 레이저로 기능하게 한다.
• 제어된 PT 대칭성 파괴를 통해 이득 대역폭 내에서 원하는 어느 종방향 모드로든 재구성 가능한 레이저 작동이 가능하다.