나노섬유를 이용한 고Q값의 광결정 공진기 형성.
Research
나노섬유를 이용한 고Q값의 광결정 공진기 형성.
광 입출력의 궁극적인 고효율화를 향해!
광결정 공진기는 광신호 처리 및 양자정보통신 실현을 위한 유력한 플랫폼으로 기대되고 있다. 그러나 유리로 만든 광섬유에서 실리콘으로 만든 포토닉 결정으로의 광 입출력 효율은 결코 높지 않으며, 최적화된 입출력 포트(스팟 사이즈 컨버터)를 사용해도 10% 정도의 에너지 손실이 발생하는 것이 문제였다. 또한, 포스트 프로세스에 의한 광회로 등의 재설계 수단으로 임의의 위치로의 동적 공진기 형성이 요구된다. 본 연구에서는 나노섬유를 광결정 도파관에 접촉시킴으로써 도파관상의 임의의 위치에 고주파 공진기를 형성하여Q값의 광결정 공진기를 형성하고, 이 때 공진기에 대한 빛의 입출력 효율을 극대화하는 임계 커플링이 가능하다는 것을 실험적으로 보여주었다.
나노섬유를 이용한 광결정 상에서의 공진기 형성은 2007년 KAIST의 이용희 교수 등에 의해 제안 및 시연되었다[1]. 이 방법의 광결정 도파관에서의 공진기 형성 원리는 다음과 같다. 나노섬유를 광결정 도파관에 접촉시키면 국부적인 실효 굴절률 변화가 일어난다. 이 때 도파 모드의 컷오프 주파수가 아래쪽으로 이동하기 때문에 섬유를 접촉시킨 위치와 접촉시키지 않은 위치의 도파 모드 주파수에 간격이 생긴다(Fig. 1). 이 모드 간 갭으로 인해 섬유의 접촉 위치에서 컷오프 주파수의 모드가 비접촉 위치의 도파관을 전파하지 못하고 국부적으로 갇히게 되는 것이다. 그러나 Lee 등의 실험에서는 InGaAsP의 양자점이 내장된 InP 포토닉 결정을 사용하였으며, 양자점의 흡수 손실로 인해 형성된 공진기의Q값은 104정도에 머물렀다. 또한, 이론적으로는 100%에 가까운 결합 효율을 실현할 수 있음을 보여주었으나, 실험적 결합 효율은 % 정도에 불과했다.
그림 1: (a) 나노섬유와 접촉하는 PhC 도파관의 밴드 다이어그램. (b) 섬유 결합 공동의 개략도 및 나노섬유로 생성된 광 공동의 계산된 Hz 필드 프로파일. 상부 및 하부 그림은 각각 상단과 측면에서 본 모습이며, 빛의 국소화는 실리카 나노섬유가 있는 실리콘 PhC 슬래브 위에 실리카 나노섬유를 올려놓은 영역. © 2015 Optical Society of America.
본 연구에서는 실리콘의 광결정 도파관을 이용하여Q = 5.1×105의 높은 Q값 공진기 형성과 39%의 결합 효율을 달성했다(Fig. 2(a)). 또한Q = 6.1×103의 모드에 대해 99.6%의 매우 높은 결합 효율의 임계 커플링 조건을 실현할 수 있음을 보여주었다(Fig. 2(b)). 위와 같이 얻어진 공진 모드는 나노섬유의 접촉 상태를 변화시킴으로써 공진 파장을 조정할 수 있다. 또한, 공진기의 위치도 나노섬유의 접촉 위치에 따라 도파관의 임의의 위치로 선택할 수 있다는 특징이 있다.
그림 2: 재구성 가능한 광섬유 결합 PhC 캐비티의 투과율 스펙트럼.
(a) 품질 계수가 가장 높은 공진 모드. (b) 결합 효율이 가장 높은 공진 모드. © 2015 Optical Society of America.
또한, 이번 실험에서는 단일 공진기로부터 예상되는 것보다 더 많은 공진 모드가 관찰되었다(Fig. 3(a)). 이러한 투과 스펙트럼은 all-pass filter 형태의 결합 공진기 시스템이 형성되어 있다는 유력한 증거이다. 이번 실험에서 사용한 광결정 도파관의 표면에는 여러 개의 요철이 확인되었기 때문에(Fig. 3(b)), 섬유 아래에 요철 포텐셜이 형성되어 여러 개의 공진기가 나노섬유와 사이드커플 상태로 형성되었을 것으로 예상할 수 있다. 이러한 결합 공진기 시스템의 형성은 이번 연구에서 얻은 새로운 지식이며, 빛의 효과적인 전파를 늦추는 지연 소자로서의 응용을 기대할 수 있다.
이번 연구 성과는 고효율의 광신호 처리와 저손실 광 입출력이 요구되는 양자정보통신의 실현을 위한 유익한 성과라고 할 수 있다.
그림 3: (a) TE와 TE 편광의 투과율 스펙트럼. 수직축은 테이퍼 광섬유의 최대 투과율로 정규화되어 있다. (b). PhC 도파관 표면의 SEM 이미지. © 2015 Optical Society of America.
[1] 김명기, 김명기 et al. "Reconfigurable microfiber-coupled photonic crystal resonator", Opt. 15, 17241- 17247 (2007).
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