[논문 리뷰] Optimized design of a Silica encapsulated photonic crystal nanobeam cavity for integrated Silicon-based nonlinear and quantum photonics

J. P. Vasco, Dario Gerace외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 23.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 59인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고유의 품질 인자(Q)를 800만 이상으로 달성하고, 8 μm² 이하의 소형 패치워크에서 65% 이상의 평면 내 전송을 확보하면서 제작 오차에도 강건한 실리카 코팅 실리콘 광결정 나노빔 공진기의 최적화 설계를 제안한다. 이는 단지 공진기 근처의 첫 번째 몇 개의 구멍만을 수정하는 전역 최적화 전략을 사용하여 달성되었다. 이 설계는 비결함성 광학적 성능을 갖춘 통합 실리콘 광학 회로에서 비선형 및 양자 광학 응용을 향상시키는 데 기여한다.

ABSTRACT

Photonic resonators allowing to confine the electromagnetic field in ultra-small volumes and with long decay times are crucial to a number of applications requiring enhanced nonlinear effects. For applications to integrated photonic devices on chip, compactness and optimized in-plane transmission become relevant figures of merit as well. Here we optimize an encapsulated Si/SiO$_2$ photonic crystal nanobeam cavity at telecom wavelengths by means of a global optimization procedure, where only the first few holes surrounding the cavity are varied to decrease its radiative losses. This strategy allows to achieve close to 10 million intrinsic quality factor, sub-diffraction limited mode volumes, and in-plane transmission above 65\%, in a structure with a record small footprint of around $8~μ$m$^2$. We address and quantitatively assess the dependence of the main figures of merit on the nanobeam length and fabrication disorder. Finally, we theoretically give a realistic estimate of the single-photon nonlinearity in such a device, which holds promise for prospective experiments in low-power nonlinear and quantum photonics.

연구 동기 및 목표

• 통합 실리콘 광학 회로에서 비선형 및 양자 광학 성능을 향상시키기 위해 소형, 고Q 광결정 나노빔 공진기를 설계하는 것.
• 실리카 코팅 실리콘 나노빔에서 낮은 Q 인자 문제를 극복하기 위해 공진기 근처의 가장 가까운 구멍들만 최적화하여 장기적이고 취약한 구조를 피하는 것.
• 실제 장치 조건에서 제작 오차가 공진기의 품질 인자와 전송에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 완전히 통합된 실리콘 플랫폼에서의 향후 양자 광학 실험을 고려해 단일 광자 비선형성 대 손실률 비율을 추정하는 것.

제안 방법

• 입자 군집 최적화(PSO) 알고리즘을 사용하여 공진기 주변의 첫 5~8개의 구멍의 위치와 반경을 변화시켜 복사 손실을 최소화한다.
• 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 통해 전자기 모드 분포, 품질 인자(Q), 전송 스펙트럼을 계산한다.
• 공진기의 품질 인자를 내재적(Qc) 및 제작 불순성에 의한 제한된(Qd) 기여도로 분해하여 제작 오차에 대한 내구성을 평가한다.
• Purcell 인자와 모드 부피를 사용해 단일 광자 비선형 결합 강도(Unl)를 추정하며, 손실률은 Qd를 통해 고려한다.
• 근접장 E_y 성분의 푸리에 변환을 통해 원거리 영역 복사 패턴을 시각화하고 복사 누출의 억제 여부를 확인한다.
• 자유로운 나노빔 및 온전한 제약을 받는 나노빔 공진기와의 비교를 통해 Q/V 비율, 패치워크 크기, 평면 내 전송 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리카 코팅 실리콘 플랫폼에서 공진기 근처의 구멍들만 최적화함으로써 고Q, 초소형 광결정 나노빔 공진기를 달성할 수 있는가?
• RQ2 최적화 대상 구멍의 수를 최소화할 때, 공진기의 품질 인자, 모드 부피, 평면 내 전송 간의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ3 제작 오차(예: 크기 및 위치 변동)는 이러한 소형 설계에서 달성 가능한 품질 인자에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 내재적 손실과 제작 불순성에 의한 제한된 손실을 모두 고려할 때, 이 최적화된 장치에서 실질적인 단일 광자 비선형성 대 손실률 비율은 얼마인가?

주요 결과

• 최적화된 공진기는 최대 800만의 내재적 품질 인자를 달성하여 이전의 코팅 설계에 비해 크게 향상되었다.
• 모드 부피는 0.4(λ/n)³으로 감소하여 약 8 μm²의 패치워크에서 초분해능 이하의 구속을 확인하였다.
• 평면 내 전송은 65%를 초과하여 통합 광학 회로에서의 효율적 커플링을 입증하였다.
• 실제 제작 오차(σ/a = 0.002) 조건에서도 총 품질 인자가 100만 이상을 유지하여 강건성을 입증하였다.
• 추정된 단일 광자 비선형성 대 손실률 비율은 약 2×10⁻⁴로, 이와 같은 장치에서 보고된 바 중 가장 높은 편이며, 양자 간섭 기반 실험에 적합하다.
• 원거리 영역 분석을 통해 복사 누출이 강력하게 억제됨을 확인하여 최적화의 성공이 복사 손실 감소 측면에서 검증되었다.