使用奈米纖維形成高 Q 值的光子晶体諧振器。

2015-06-11 2022-09-23 miyahara

研究

2015-06-11

邁向光學輸入/輸出的極致效率

光子晶体谐振器有望成为实现光信号处理和量子信息通信的强大平台。然而，從玻璃製成的光纖到矽製成的光子晶体的光輸入/輸出效率不高，即使使用最佳化的輸入/輸出端口（光點尺寸轉換器），也會發生約 10% 的能量損失。此外，人們希望在任意位置形成動態諧振器，藉此透過後處理重新設計光電路等。在本研究中，透過將奈米纖維與光子水晶波導接觸，可產生一個高Q值的光子晶体谐振器，并通过实验证明了临界耦合是可行的，它可以最大限度地提高光进入谐振器的输入/输出效率。

2007 年，Yong-Hee Lee 等人在 KAIST 提出並展示了使用奈米纖維在光子晶體上形成共振的方法 [1]。此方法在光子晶體波導上形成共振的原理如下。當奈米纖維與光子水晶波導接觸時，會發生局部有效折射率的改變。這會造成波導模式的截止頻率下移，導致纖維接觸位置和未接觸位置的波導模式頻率之間出現差距（圖 1）。由於模式間的這個差距，在纖維接觸位置具有截止頻率的模式無法在非接觸位置的波導中傳播，而變成局部限制。然而，Lee 等人的實驗使用了內嵌 InGaAsP 量子點的 InP 光子晶體，量子點的吸收損耗導致所形成的諧振器的Q價值 10.⁴理論上的結合效率只有約 100%。此外，實驗的結合效率只有幾個 1 TP3T，而理論顯示可以達到接近 1001 TP3T 的結合效率。

圖 1：(a) 與奈米纖維接觸的 PhC 波導的頻帶圖。上圖和下圖分別是從頂部和側面觀察。在將二氧化矽奈米纖維置於矽 PhC 板頂的區域可觀察到光定位。.

在本研究中，使用硅的光子水晶波導Q = 5.1 x 10⁵的高 Q 值諧振器形成，並實現了 391 TP3T 的耦合效率（圖 2(a)）。此外，在Q = 6.1 x 10³在臨界耦合條件下，奈米纖維的模式可達到 99.61 TP3T 的極高耦合效率 (圖 2(b))。透過改變奈米纖維的接觸狀態，可調整如上述所獲得的諧振模式的諧振波長。諧振器的位置也可以根據奈米纖維的接觸位置選擇在波導中的任何位置。

圖 2：可重構光纖耦合 PhC 腔的透射光譜。.
(a)具有最高品質因子的共振模式。(b)具有最高耦合效率的共振模式。 © 2015 美國光學會。.

此外，在本實驗中觀察到比單一諧振器預期更多的諧振模式 (圖 3(a))。這樣的穿透光譜是形成全通濾波器型耦合諧振器系統的有力證據。由於本實驗所使用的光子晶體波導表面有多個凹面和凸面（圖 3(b)），因此可以預期在纖維下方會形成凸勢和凹勢，並與奈米纖維在側面耦合狀態下獲得多個諧振器。這種耦合諧振器系統的形成是本研究獲得的新知識，可望應用於延遲裝置，以減緩光線的有效傳播。

這項研究成果有利於量子資訊通訊的實現，因為量子資訊通訊需要高效率的光訊號處理和低損耗的光輸入/輸出。

圖 3：(a) TE 和 TE 偏振光的透射光譜。縱軸以錐形光纖的最大透射率為標準。PhC 波導表面的 SEM 影像。.

[1] Myung-Ki Kim,., 等人., “Reconfigurable microfibre-coupled photonic crystal resonator,” Opt. 15, 17241- 17247 (2007).

本研究的一部分是由創造先進之光的網路研究中心計畫委託進行。

這項成就是由於光學快線 23, 16256-16263 (2015) 資訊發佈於.