[논문 리뷰] Whispering gallery mode microresonator for nonlinear optics

Yihang Li, Xuefeng Jiang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 254인용 수 20

한 줄 요약

이 리뷰는 비선형 광학을 위한 월링턴 갤러리 모드(WGM) 마이크로레지온레이터의 최근 발전을 종합적으로 다루며, 초고효율 Q 인자와 작은 모드 부피가 강한 빛-물질 상호작용을 가능하게 한다는 점을 강조한다. 기본적인 비선형 효과들—커, 포켈스, 고조파 생성, 4파면 혼합, 자극된 산란—및 열적, PT 대칭 비선형성, 주파수 콤 생성과 같은 계단식 과정, 마이크로레이저 및 비상호작용 장치 응용을 상세히 기술한다.

ABSTRACT

Whispering gallery mode (WGM) microresonators, benefitting from the ultrahigh quality (Q) factors and small mode volumes, could considerably enhance the light-matter interaction, making it an ideal platform for studying a broad range of nonlinear optical effects. In this review, the progress of optical nonlinear effects in WGM microresonators is comprehensively summarized. First, several basic nonlinear effects in WGM microresonator are reviewed, including not only Pockels effect and Kerr effect, but also harmonic generations, four-wave mixing and stimulated optical scattering effects. Apart from that, nonlinearity induced by thermal effect and in PT-symmetric systems are also discussed. Furthermore, multistep nonlinear optical effects by cascading several nonlinear effects are reviewed, including frequency comb generations. Several selected applications of optical nonlinearity in WGM resonators are finally introduced, such as narrow-linewidth microlasers, nonlinearity induced non-reciprocity and frequency combs.

연구 동기 및 목표

• 워링턴 갤러리 모드(WGM) 마이크로레지온레이터 내 비선형 광학 효과의 최신 기술을 체계적으로 검토하기 위해.
• 초고효율 Q 인자와 작은 모드 부피가 비선형 광학에서 빛-물질 상호작용을 향상시키는 역할를 분석하기 위해.
• 4파면 혼합 및 주파수 콤 생성을 포함한 기본 및 계단식 비선형 과정을 탐구하기 위해.
• 열적 효과와 PT 대칭 시스템에서 유도된 새로운 비선형성의 역할를 검토하기 위해.
• narrow-linewidth 마이크로레이저, 비상호작용, 주파수 콤과 같은 실용적 응용을 강조하기 위해.

제안 방법

• 최근 WGM 마이크로레지온레이터에 관한 실험 및 이론적 결과를 종합하고 융합하기 위해.
• 내재적(커, 포켈스, 고조파 생성)과 외재적(열적, PT 대칭) 메커니즘으로 비선형 광학 효과를 분류하기 위해.
• 특히 4파면 혼합이 주파수 콤 생성으로 이어지는 계단식 비선형 과정을 분석하기 위해.
• 모드 상호작용과 비선형 역학을 모델링하기 위해 결합 모드 이론과 비선형 슈뢰딩거 유형 방정식을 사용하기 위해.
• 열적 비선형성 모델과 파리티-시간(PT) 대칭 해밀토니안을 사용해 비헤르미트 광학 시스템을 기술하기 위해.
• 장치 구성, 물질 플랫폼(예: 실리카, 켈레오젠화물, 실리콘 질화물), 실험적 실현 방식을 체계적으로 제시하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WGM 마이크로레지온레이터에서 초고효율 Q 인자와 작은 모드 부피는 비선형 광학 효과를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 WGM 레지온레이터에서 관측된 주요 내재적 비선형 메커니즘—커, 포켈스, 고조파 생성, 4파면 혼합—는 무엇인가?
• RQ3 열적 효과와 PT 대칭 시스템은 이러한 시스템에서 새로운 형태의 광학 비선형성을 어떻게 기여하는가?
• RQ4 계단식 비선형 과정이 WGM 마이크로레지온레이터에서 주파수 콩 생성을 가능하게 하는 데 어떤 역할를 하는가?
• RQ5 통합 광학 및 광학 센서 분야에서 비선형 WGM 마이크로레지온레이터의 가장 유망한 응용은 무엇인가?

주요 결과

• WGM 마이크로레지온레이터는 Q 인자를 10^9를 초과하여 구현하여 강한 빛-물질 상호작용과 저임계 비선형 효과를 가능하게 한다.
• 최적화된 시스템에서 WGM 레지온레이터 내 4파면 혼합은 변환 효율이 10%를 초과하는 사이드밴드 생성을 달성하였다.
• 계단식 4파면 혼합을 통한 주파수 콩 생성은 마이크로토이드 및 마이크로디스크 레지온레이터에서 실험적으로 실현되었으며, 반복 주파수는 수십 GHz에 이르렀다.
• WGM 레지온레이터의 열적 비선형성은 자기 펄스 동역학과 이중성 상태를 유도하여, 전면 광학 스위칭 및 메모리 효과를 가능하게 한다.
• PT 대칭 WGM 시스템은 스펙트럼 내 특이점 덕분에 한 방향 레이저와 증가된 감도를 갖는 광학 센서에 적합하다.
• 비선형성에 의해 유도된 비상호작용은 WGM 레지온레이터에서 입증되었으며, 개념 증명 장치에서 고립 비율이 30 dB를 초과하는 광학 다이오드를 실현하였다.