초고Q 값 공진기에 광대역 광을 저장합니다.

Research

초고Q 값 공진기에 광대역 광을 저장합니다.

주파수와 시간의 푸리에 한계 관계를 넘어서서

초고Q값 공진기는 빛을 이용한 바이오 이미징, 신호처리 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다. 공진기의 높은 빛 가두기 성능으로 인해 오랜 시간 동안 한 곳에 갇힌 빛은 물질과 강한 상호작용을 할 수 있다.

그림1(a) 푸리에 한계 펄스와 채프 펄스. (b)공진기 스펙트럼과 입력 스펙트럼의 관계

그러나, 빛을 장시간 가둘 수 있다는 것은 단시간에 빛을 저장할 수 없다는 것으로 이어지기 때문에 초고Q값 공진기에는 초단파장 펄스광을 저장할 수 없을 것으로 생각된다. 주파수 축상으로 생각했을 때, 초단 펄스광의 스펙트럼 폭은 푸리에 변환의 관계에서 알 수 있듯이 광대역이지만, 반면 고Q값 공진기의 공진 스펙트럼 폭은 좁고, 보통은 공진 스펙트럼 폭과 같은 정도의 대역의 펄스광만 저장할 수 있다. 따라서 광대역의 주파수 성분을 가진 빛과 물질의 상호작용을 보고자 한다면, 어쩔 수 없이 낮은 Q값 공진기를 사용해야만 했다. 그래서 우리는 Kerr 효과와 Chirp 기술을 잘 조합하여 Q값에 의한 제한을 초과하는 펄스폭의 빛을 저장하는 것을 목표로 하였고, Kerr 효과에 의해 공진 주파수는 저주파수 쪽으로 이동하기 때문에 공진 스펙트럼의 이동에 따라 입력하는 펄스광의 순간 주파수를 변화시키면 결과적으로 공진 스펙트럼 폭 이상의 대역의 펄스광을 공진기 내부에 저장할 수 있을 것이다. 따라서 가우시안형 초단파 펄스광에 최적의 프리챠프를 추가하면 광대역광을 좁은 선폭 공진기에 저장할 수 있음을 확인하였다.

그림 2 (a) 차프 양에 따른 입출력 에너지 비율. (b) 최적 조건에서의 입출력 스펙트럼

우리는 결합 모드 이론식을 이용한 분석을 실시하였다. 모델로 삼은 것은 Q값이 3×10(광자 수명 : 2.46 ns)인 SiN 링형 공진기로 최적의 초단파 펄스 저장을 시도하였다.

이번에 우리는 차프 양을 최적으로 계산하여 광자 수명이 2.46 ns인 공진기에 반값 전폭이 0.37 ns의 펄스광을 저장할 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 기존에는 불가능했던 통신 속도의 전광 로직 회로나 초광대역 센싱을 고Q값 공진기로 실현할 수 있을 것으로 기대된다.

성과는Jpn. J. Appl. Phys., Vol.에 게재되어 있습니다.
본 연구의 일부는 전략정보통신연구개발촉진사업(SCOPE)의 위탁연구로 수행되었습니다.