[논문 리뷰] Spectral Engineering with Coupled Microcavities: Active Control of Resonant Mode-Splitting

Mário C. M. M. Souza, Guilherme F. M. Rezende외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 26.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 14인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 통합 마이크로히터를 통해 반대 방향으로 진행하는 모드를 선택적으로 자극함으로써 광역대이고 능동 제어가 가능한 모드 분리 기능을 실현하는 열로 조절 가능한 결합 미크로링 공진기를 제시한다. 이로 인해 공진주파수 이동이 최소화되며, 주요 혁신은 조절 메커니즘을 대상 모드에서 분리함으로써 실현되며, 최대 80 GHz의 분리가 가능하며 공진주파수 이동은 내재된 설계 제약이 아닌 열 간섭(crosstalk)에 의해 제한된다.

ABSTRACT

Optical mode-splitting is an efficient tool to shape and fine-tune the spectral response of resonant nanophotonic devices. The active control of mode-splitting, however, is either small or accompanied by undesired resonance shifts, often much larger than the resonance-splitting. We report a control mechanism that enables reconfigurable and widely tunable mode-splitting while efficiently mitigating undesired resonance shifts. This is achieved by actively controlling the excitation of counter-traveling modes in coupled resonators. The transition from a large splitting (80 GHz) to a single-notch resonance is demonstrated using low power microheaters (35 mW). We show that the spurious resonance-shift in our device is only limited by thermal crosstalk and resonance-shift-free splitting control may be achieved.

연구 동기 및 목표

• 큰 분리폭을 갖는 가변 모드 분리 기능을 통합 나노포토닉 장치에서 실현하면서도 상당한 공진주파수 이동을 유도하지 않는 문제를 해결한다.
• 고립된 광경로에서 위상 변화로 인해 발생하는 큰 불필요한 공진주파수 이동을 유도하는 전통적인 조절 방법의 근본적 한계를 극복한다.
• 조절 작용을 대상 공진 모드에서 분리함으로써 부수적인 이동을 최소화하는 제어 메커니즘을 개발한다.
• 실험적으로 공진주파수 이동이 없는 모드 분리 기능이 원리적으로 가능함을 입증한다. 이는 현재의 열조절 기술에서의 열 간섭에 의해 제한된다.

제안 방법

• 시계방향(CW) 및 반시계방향(CCW) 진행 모드를 모두 자극할 수 있도록 세 개의 링(R1 외부, R2 및 R3 내장)을 갖는 결합 미크로링 공진기 구조를 사용한다.
• Ni-Cr 및 Ti/Au로 구성된 국소적 마이크로히터(H1, H2, H3, H23)를 활용하여 열광학 효과를 통해 특정 미크로링 섹션의 굴절률을 열적으로 조절한다.
• 시계방향-반시계방향 커플링 강도를 조절하기 위해 두 내장 링(R2, R3)을 동시에 조절(H23)하거나 한쪽을 탈조정(H3)함으로써 모드 분리를 제어한다.
• 조절이 내장 링(R2, R3)에 적용될 경우 대상 슈퍼모드(R1, R2)는 대부분 영향을 받지 않으며, 가열 영역과의 오버랩이 최소화됨을 이용한다.
• 전달행렬법(TMM)을 사용하여 위상 및 감쇠 매개변수를 포함해 슈퍼모드 스펙트럼의 변화를 모델링하고 재현하며, 모드 반대칭분리 및 열 간섭 효과를 포함한다.
• 실험 결과를 TMM 시뮬레이션과 대조하여, 루프백 위상(φi), 감쇠(ai), 커플링 계수(κi, tij) 등의 매개변수를 조정함으로써 측정된 스펙트럼과 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결합된 마이크로캐비티에서 공진주파수 이동이 최소화된 채로 모드 분리를 능동 제어할 수 있는가?
• RQ2 조절 작용을 대상 모드에서 분리함으로써 큰 분리폭과 낮은 이동을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ3 실험 장치에서 잔류 공진주파수 이동의 주요 원인은 무엇인가?
• RQ4 다른 조절 메커니즘을 사용할 경우 원리적으로 공진주파수 이동이 없는 모드 분리를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 내장 링 중 하나인 R3만 탈조정할 경우 최대 80 GHz의 모드 분리를 달성하여 광역도가 뛰어나다는 것을 입증한다.
• H23 히터를 사용할 경우 17.7 mW에서 약 30 GHz의 분리를 달성하며, 1.8 GHz/mW의 선형 증가율을 보인다.
• 외부 링의 부수적인 공진주파수 이동은 열 간섭으로 인해 뿐만 아니라 1.5 GHz/mW로 측정되어 다른 조절 기법에 비해 훨씬 낮다.
• TMM 시뮬레이션은 관측된 작은 이동이 내재된 모드 반대칭분리 분산이 아닌 열 간섭에 의해 주로 결정됨을 확인한다.
• 이론적 모델링은 한쪽 링만 탈조정될 경우 제어되는 슈퍼모드가 거의 분산 없이 행동함을 보여주며, 이는 공진주파수 이동이 없는 제어의 잠재적 가능성을 시사한다.
• 결과는 탄전자 주입 또는 전기광학 효과와 같은 다른 조절 메커니즘이 열 간섭을 제거하고 초고속·저전력의 모드 분리 제어를 가능하게 할 수 있음을 시사한다.