하이브리드 마이크로 광학 공진기를 이용한 열광학적 진동 안정화 구현

2016-05-25 2022-09-23 miyahara

Research

2016-05-25

초저에너지 광카컴의 안정적 발진을 향해!

정보통신기술의 에너지 소비를 획기적으로 줄이기 위한 수단으로 에너지의 대부분이 열로 손실되는 전자회로에서 에너지 효율이 매우 높은 광회로로 전환하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 미세광 공진기를 이용한 광카컴은 광회로의 시간 기준을 고정밀도로 결정할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 모드 고정 레이저를 이용한 광주파수컴보다 훨씬 작고 저렴하기 때문에 광회로를 구성하는 중요한 요소로 각광을 받고 있다.

특히 광흡수계수가 매우 작은 불화칼슘을 재료로 한 미세광공진기는 기존의 불화마그네슘이나 실리카를 재료로 한 미세광공진기보다 압도적으로 작은 에너지로 광카컴의 발진이 가능하다. 그러나 불화칼슘 미세광 공진기에서는 재료가 빛을 흡수하면서 발생하는 미세한 열에 의한 열광학적 효과와 열팽창이 각각 효과적으로 공진기를 작게 하는 효과와 크게 하는 효과로 작용하여 공진기 내의 광파워가 주기적으로 흔들리는 열광학적 진동이 발생한다. 그 결과 광카컴의 안정적인 발진이 불가능하다는 문제가 있어 불화칼슘 미세광 공진기의 광카컴 광원으로서의 실용화가 어렵다고 여겨져 왔다.

이에 본 연구에서는 불화칼슘 미세광공진기 내부에 열전도율이 높은 실리콘을 내장한 구조를 가진 하이브리드 미세광공진기를 제안하였다. 하이브리드 미세광공진기는 실리콘이 방열판 역할을 함으로써 불안정성의 원인인 열을 효율적으로 제거할 수 있다.

그림 1. 제작 된 CaF 사진₂ WGM microcavity.

Fig. 1에 제작한 불화칼슘 미세광공진기를 나타내었다. 이 미세광공진기를 사용한 경우, 아래와 같은 열광학적 진동이 관찰되었다.

그림 2. (a) CaF의 측정된 출력 스펙트럼₂ WGM microcavity (D = 500 μm) 1 W로 캐비티를 펌핑할 때 생성된 종방향 모드의 파장 분리는 캐비티의 자유 스펙트럼 범위보다 훨씬 더 큽니다. 이 스펙트럼은 측정하는 동안 불안정하다. (b) 펌프광(LPF)과 FWM광(HPF)의 측정된 출력 파형.

Fig. 2(a)는 Fig. 1의 미세광 공진기를 사용한 경우의 스펙트럼을 나타낸다. 그림 2(b)는 그림 2(a)에 대응하는 시간 파형을 나타낸 것으로, 스펙트럼의 중앙에 있는 펌프광으로 인한 1개의 피크 외에 광카컴으로 인한 3개의 피크가 관찰되었다. 파란색 선으로 표시된 저역 통과 필터(LPF)를 통과하는 펌프광의 광 파워는 주기적으로 흔들리는 열광학적인 진동으로 확인할 수 있습니다. 한편, 적색선으로 나타낸 하이패스 필터(HPF)를 투과하는 광카컴의 광파워는 열광학적 진동의 영향으로 생성과 소멸을 반복하고 있는 것을 확인할 수 있습니다.

그림 3. (a) 제안된 구조의 모식도 (b) (a)에 표시된 WGM 마이크로 캐비티에서 펌프의 투과 파형을 계산한 결과. 실리콘 막대의 직경이 d = 0 µm. (c) (b)와 동일하지만 d = 100 µm, (d) d = 200 µm, (e) d = 300 µm, 그리고 (f) d = 400 µm.

Fig. 3(a)에 하이브리드 마이크로 광공진기의 개념도를 나타내었고, Fig. 3(b), (c), (d), (e), (f)에는 불화칼슘의 직경을 500 μm로 고정하고, 실리콘의 직경을 각각 0 μm(실리콘 없음), 100 μm, 200 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm로 설정한 경우의 열광학적 진동 시뮬레이션 결과를 보여주었다. 실리콘의 직경이 커짐에 따라 열광학적 효과와 열팽창의 영향의 균형이 변화하고, 실리콘의 직경이 충분히 큰 경우 열광학적 효과와 열팽창의 영향이 균형을 이루면서 열적 평형 상태에 도달하여 열광학적 진동이 소멸하는 것을 확인하였다.

본 성과는 하이브리드 미세광 공진기를 사용하여 열광학적 진동 문제를 해결할 수 있게 되었으며, 결과적으로 불화칼슘을 재료로 한 초저에너지 광카컴 발진기를 실현할 수 있음을 보여줍니다.

본 연구의 일부는 과학기술연구비(15H05429)의 지원을 받아 수행되었습니다.

본 성과는 AIP Advances, Vol. 6, No. 5, 055116 (2016).에 게재되어 있습니다.