[논문 리뷰] Ultra-high-Q free space coupling to microtoroid resonators

Sartanee Suebka, Euan McLeod외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 01.

Photonic and Optical DevicesEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 장작거리 목렌스와 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 월터링 갤러리 모드(WGM) 마이크로토이로드 공진기의 자유공간 결합 방법을 제시한다. 이는 취약한 편광된 섬유의 필요성을 제거한다. 시스템은 최대 1.6 × 10⁸의 Q 인자, 다중모드 결합에 의한 EIT 유사 및 Fano 공진, FLOWER 기술을 통한 성공적인 온도 센싱을 실현하여 고감도, 섬유 없는 생체 센서의 강성과 확장성을 향상시킨다.

ABSTRACT

Whispering gallery mode (WGM) microtoroid resonators are one of the most sensitive biochemical sensors in existence, capable of detecting single molecules. The main barrier for translating these devices out of the laboratory is that light is evanescently coupled into these devices though a tapered optical fiber. This hinders translation of these devices as the taper is fragile, suffers from mechanical vibration, and requires precise positioning. Here, we eliminate the need for an optical fiber by coupling light into and out from a toroid via free-space coupling and monitoring the scattered resonant light. A single long working distance objective lens combined with a digital micromirror device (DMD) was used for light injection, scattered light collection, and imaging. We obtain Q-factors as high as $1.6 imes 10^8$ with this approach. Electromagnetically induced transparency (EIT)-like and Fano resonances were observed in a single cavity due to indirect coupling in free space. This enables improved sensing sensitivity. The large effective coupling area (~10 $μ$m in diameter for numerical aperture = 0.14) removes the need for precise positioning. Sensing performance was verified by combining the system with the frequency locked whispering evanescent resonator (FLOWER) approach to perform temperature sensing experiments. We believe that this work will be a foundation for expanding the implementation of WGM microtoroid resonators to real-world applications.

연구 동기 및 목표

• WGM 마이크로토이로드 공진기에서 편광 섬유 결합의 한계, 즉 취약성, 진동에 대한 민감성, 정렬의 복잡성을 해결하기 위해.
• 실생활 및 온칩 응용에 적합한 내구성 있고 컴act하며 확장 가능한 자유공간 결합 시스템을 개발하기 위해.
• 자유공간 조명과 산산조각난 빛 수거를 통해 고 Q 인자 및 다중모드 결합 효과(EIT 유사 및 Fano 공진)를 관찰하기 위해.
• FLOWER 기술과 결합한 온도 센싱 실험을 통해 시스템의 센싱 능력을 검증하기 위해.
• Figure of Merit (FoM)와 결합 맵을 사용하여 결합 효율, Q 인자, 기계적 안정성 간의 상충 관계를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 단일 장작거리 목렌스를 사용하여 입력 빛을 집중하고, 공진적으로 산산조각난 빛을 수거하며, 마이크로토이로드를 이미징함으로써 편광 섬유가 필요 없도록 한다.
• 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 관심 영역(ROI)을 선택하고, 산산조각난 빛을 걸러내며, 산산조각난 빛을 광검출기로 유도하면서 동시에 CCD에 이미징한다.
• 배경 노이즈와 패러티 간섭을 줄이기 위해 투과된 빛 대신 공진 산산조각난 빛을 모니터링함으로써 신호 대비를 향상시킨다.
• 결합 효율과 다중모드 자극을 연구하기 위해 가변 비드 지름(Gaussian beam)을 사용하며, 이는 수치적 열화율(NA = 0.14 또는 0.42)로 제어된다.
• 빔-공진기 위치를 스캔하여 결합 맵을 생성함으로써 내성과 전기장 분포를 시각화하고, 유한요소 시뮬레이션으로 검증한다.
• FLOWER(Frequency-locked whispering evanescent resonator) 기술을 통합하여 고해상도, 고대역폭 파장 추적 기능을 제공함으로써 센싱 응용에 적합하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 목렌스와 DMD를 통한 자유공간 결합이 편광 섬유 없이도 마이크로토이로드 공진기에서 고 Q 인자를 달성할 수 있는가?
• RQ2 NA를 통해 제어되는 빔 지름 크기가 자유공간 결합된 WGM 공진기에서 결합 효율과 다중모드 자극에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 간접적인 자유공간 결합을 통해 단일 공진기에서 EIT 유사 및 Fano 공진을 관찰할 수 있으며, 빔-공진기 거리 조절을 통해 어떻게 조절 가능한가?
• RQ4 자유공간 시스템의 효과적인 결합 영역과 정렬 내성은 무엇이며, 기계적 진동에 대해 어떻게 강성 향상에 기여하는가?
• RQ5 자유공간 결합 시스템이 FLOWER 기술과 효과적으로 통합되어 고감도 실시간 센싱을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 최대 1.6 × 10⁸의 Q 인자를 달성하여 자유공간 결합이 섬유 기반 결합의 성능을 따라하거나 초월할 수 있음을 입증하였다.
• 집중된 가우시안 빔에 의한 다중모드 결합으로 인해 단일 공진기에서 EIT 유사 및 Fano 공진이 관찰되었으며, 이는 모드 간섭을 통한 간접적 결합을 시사한다.
• 빔-공진기 거리 조절을 통해 Fano 공진선형이 조절 가능했으며, 다양한 모드가 서로 다른 속도로 효과적 굴절률이 변화하기 때문이다.
• 이완된 초점 빔(NA = 0.14)은 약 10 μm의 효과적 결합 영역을 제공하여 정렬 민감도를 크게 감소시키고 기계적 강성을 향상시켰다.
• 결합 맵는 전기장 강도의 공간적 변화를 드러내었으며, 이는 유한요소 시뮬레이션 결과와 잘 일치하여, 이 방법이 모드 프로파일을 탐측할 수 있음을 검증하였다.
• FLOWER 기술을 사용한 온도 센싱 실험에서 마이크로토이로드 공진 이동과 온도계 측정값 간에 우수한 일치를 보였으며, 이는 시스템이 고감도 센싱 응용에 적합함을 확인하였다.