Herstellung von photonischen Kristallresonatoren mit hohen Q-Werten unter Verwendung von Nanofasern.
Forschung
Herstellung von photonischen Kristallresonatoren mit hohen Q-Werten unter Verwendung von Nanofasern.
Auf dem Weg zur ultimativen Effizienz der optischen Eingabe/Ausgabe
Es wird erwartet, dass photonische Kristallresonatoren eine leistungsfähige Plattform für die optische Signalverarbeitung und die Quanteninformationskommunikation darstellen werden. Der Wirkungsgrad des Lichtein- und -austritts von Glasfasern in photonische Kristalle aus Silizium ist jedoch nicht hoch, und selbst bei Verwendung optimierter Ein- und Ausgangsports (Punktgrößenwandler) treten Energieverluste von etwa 10% auf. Darüber hinaus ist eine dynamische Resonatorbildung an beliebigen Positionen erwünscht, um optische Schaltungen und dergleichen durch Nachbearbeitung neu zu gestalten. In dieser Studie wird durch den Kontakt von Nanofasern mit einem photonischen Kristallwellenleiter eine hoheQWir haben experimentell gezeigt, dass eine kritische Kopplung möglich ist, die die Eingangs-/Ausgangseffizienz von Licht in den Resonator maximiert, indem ein photonischer Kristallresonator mit einem Wert von
Die Bildung von Resonatoren auf photonischen Kristallen unter Verwendung von Nanofasern wurde 2007 von Yong-Hee Lee et al. am KAIST vorgeschlagen und demonstriert [1]. Das Prinzip dieser Methode der Resonanzbildung auf photonischen Kristallwellenleitern ist wie folgt. Wenn die Nanofaser in Kontakt mit dem photonischen Kristallwellenleiter gebracht wird, kommt es zu einer lokalen effektiven Brechungsindexänderung. Dies führt zu einer Verschiebung der Grenzfrequenz der Wellenleitermode nach unten, so dass eine Lücke zwischen den Frequenzen der Wellenleitermoden an der Stelle, an der die Faser in Kontakt ist, und an der Stelle, an der sie nicht in Kontakt ist, entsteht (Abb. 1). Aufgrund dieser Lücke zwischen den Moden können sich die Moden mit Grenzfrequenzen an der Faserkontaktposition nicht im Wellenleiter an der kontaktlosen Position ausbreiten und werden lokal begrenzt. Bei den Experimenten von Lee et al. wurden jedoch photonische InP-Kristalle mit eingebetteten InGaAsP-Quantenpunkten verwendet, und die Absorptionsverluste der Quantenpunkte führten dazu, dass der gebildete ResonatorQWert 10.4Die theoretische Kopplungseffizienz betrug nur etwa 100%. Während die theoretischen Ergebnisse zeigten, dass Bindungseffizienzen von nahezu 1001 TP2T erreicht werden könnten, lagen die experimentellen Bindungseffizienzen nur bei einigen 1 TP2T.
Abb. 1: (a) Banddiagramm von PhC-Wellenleitern in Kontakt mit einer Nanofaser. Die obere und die untere Abbildung sind Ansichten von oben bzw. von der Seite. Lichtlokalisierung wird in dem Bereich beobachtet, in dem eine Siliziumdioxid-Nanofaser auf eine Silizium-PHC-Platte gelegt wird.
In dieser Studie wird die Verwendung von photonischen Kristallwellenleitern aus SiliziumQ = 5.1 x 105und eine Kopplungseffizienz von 391 TP2T erreicht (Abb. 2(a)). Darüber hinaus ist dieQ = 6.1 x 103Die kritische Kopplungsbedingung mit einer extrem hohen Kopplungseffizienz von 99,61 TP2T kann für die Moden der Nanofasern erreicht werden (Abb. 2(b)). Die wie oben beschrieben erhaltenen Resonanzmoden können auf die Resonanzwellenlänge abgestimmt werden, indem der Kontaktzustand der Nanofasern geändert wird. Die Position des Resonators kann auch an einer beliebigen Stelle im Wellenleiter gewählt werden, abhängig von der Kontaktposition der Nanofasern.
Abb. 2: Transmissionsspektrum einer rekonfigurierbaren fasergekoppelten PhC-Kavität.
(a) Der Resonanzmodus mit dem höchsten Qualitätsfaktor.(b) Der Resonanzmodus mit der höchsten Kopplungseffizienz. © 2015 Optical Society of America.
Außerdem wurde im vorliegenden Experiment eine größere Anzahl von Resonanzmoden beobachtet, als von einem einzelnen Resonator zu erwarten wäre (Abb. 3(a)). Solche Transmissionsspektren sind ein starker Beweis für die Bildung eines gekoppelten Resonatorsystems vom Typ Allpassfilter. Da die Oberfläche des in diesem Experiment verwendeten photonischen Kristallwellenleiters mehrere Konkavitäten und Konvexitäten aufweist (Abb. 3(b)), ist zu erwarten, dass sich unter den Fasern konvexe und konkave Potentiale ausbilden und mehrere Resonatoren in einem seitlich gekoppelten Zustand mit den Nanofasern erhalten werden. Die Bildung eines solchen gekoppelten Resonatorsystems ist eine neue Erkenntnis, die in dieser Studie gewonnen wurde, und soll als Verzögerungsvorrichtung zur Verlangsamung der effektiven Ausbreitung von Licht eingesetzt werden.
Die Ergebnisse dieser Forschung sind von Vorteil für die Realisierung der Quanteninformationskommunikation, die eine hocheffiziente optische Signalverarbeitung und einen verlustarmen optischen Eingang/Ausgang erfordert.
Abb. 3: (a) Transmissionsspektren von TE- und TE-polarisiertem Licht. Die vertikale Achse ist auf den maximalen Transmissionsgrad der verjüngten Faser normiert. REM-Aufnahme der Oberfläche des PhC-Wellenleiters.
[1] Myung-Ki Kim, et al.. Rekonfigurierbarer mikrofasergekoppelter photonischer Kristallresonator", Opt. Express. 15, 17241- 17247 (2007).
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