[论文解读] Spectral Engineering with Coupled Microcavities: Active Control of Resonant Mode-Splitting

Mário C. M. M. Souza, Guilherme F. M. Rezende+4 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 14被引用 47

一句话总结

本文提出了一种热可调耦合微环谐振器，通过集成微加热器选择性激励逆向传播模式，实现了宽带、主动控制的模式分裂，且谐振波长漂移极小。其关键创新在于将调谐机制与目标模式解耦，实现了高达80 GHz的模式分裂，谐振波长漂移仅受热串扰限制，而非固有设计局限。

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.

研究动机与目标

• 解决在集成纳米光子器件中实现大范围、可调谐模式分裂且不产生显著谐振波长漂移的挑战。
• 克服传统调谐方法的根本局限：由于受限光路中相位变化导致产生大而不可取的谐振波长漂移。
• 开发一种将调谐动作与目标谐振模式分离的控制机制，以最小化寄生波长漂移。
• 实验验证表明，原则上可实现无谐振波长漂移的模式分裂，其限制仅来自当前热调谐实现中的热串扰。

提出的方法

• 采用三环耦合微环谐振器结构（R1外环，R2和R3内嵌），以实现顺时针（CW）和逆时针（CCW）传播模式的激发。
• 利用由Ni-Cr和Ti/Au制成的局部微加热器（H1, H2, H3, H23），通过热光效应热调特定微环区段的折射率。
• 通过同时调谐两个内嵌环（H23）或仅调谐一个（H3），控制模式分裂，从而调节CW-CCW耦合强度。
• 该机制利用了当调谐作用施加于内嵌环（R2, R3）时，目标超模（如R1, R2）基本不受影响的特性，从而最小化与加热区域的重叠。
• 采用传输矩阵法（TMM），结合相位和衰减参数，对超模谱演化进行建模与再现，包括模式反交叉和热串扰效应。
• 将实验结果与TMM仿真进行验证，通过调整往返相位（φi）、衰减（ai）以及耦合系数（κi, tij）等参数，使仿真谱与实测谱相匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在耦合微腔中实现主动控制的模式分裂，且谐振波长漂移极小？
• RQ2 将调谐动作与目标模式分离，是否能同时实现大模式分裂和低漂移？
• RQ3 实验器件中残余谐振波长漂移的主要来源是什么？
• RQ4 若采用其他调谐机制，原则上能否实现无谐振波长漂移的模式分裂？

主要发现

• 当仅调谐一个内嵌环（R3）时，器件实现了最大80 GHz的模式分裂，证明了其宽调谐能力。
• 在H23加热条件下，17.7 mW时实现约30 GHz的分裂，线性调谐系数为1.8 GHz/mW。
• 由于热串扰，外环的寄生谐振波长漂移仅为1.5 GHz/mW，显著低于其他调谐方案中的典型值。
• TMM仿真证实，观测到的微小漂移主要由热串扰引起，而非本征模式反交叉色散效应。
• 理论建模表明，当仅一个环被调谐时，受控超模表现出近乎无色散行为，表明具备实现无谐振波长漂移控制的潜力。
• 结果表明，采用其他调谐机制（如载流子注入或电光效应）可消除热串扰，从而实现超高速、低功耗的模式分裂控制。