The subject of this thesis is about coupling between the microfiber and photonic crystal resonators. This study was started by the motivation how we can efficiently extract (or inject) the light from (into) the photonic crystal resonator. A photonic crystal (PhC) is formed by arranging the period dielectric media, where the periodicity is on the scale of an optical wavelength. It has been known as one of the platforms that can enable the miniaturization of photonic devices and their large-scale integration. By the small size of the resonator, the efficient coupling with photonic crystal resonators has been hard works because of the emission divergence from diffraction principle. Among many coupling techniques, the direct evanescent-coupling with the microfiber is considered to be suitable with many applications for a single isolated device because of its negligible propagation loss and direct interconnection with external optical systems. Especially, we have been focused on the curved microfiber. Usually, the straight microfiber has been a familiar tool to couple with the microcavities, such as microdiskes and toroid microcavities. However, the in-plane structure of 2D photonic crystal slab resonator is not fitted to use it directly because of the significant scattering between the photonic crystal pattern and the evanescent field of the microfiber. For that reason, we suggest and propose to employ the curved microfiber which provides a point contact on the 2D slab resonator in an ideal case.
First, the thesis is started from the coupling mechanism between the curved microfiber and the photonic crystal resonator in Chap. 2. This chapter will cover the scattering loss (Sec. 2.1.2), the higher modes in the microfiber (Sec. 2.1.2), and the fabrication and setup of the curved microfiber (Sec. 2.1.3). After checking all possible conditions, the investigation for optimizing the coupling between the 2D photonic crystal slab resonator and the curved microfiber is continued in Sec. 2.2. In this section, the dependencies of the diameter and the air-gap of the microfiber on the coupling efficiency are considered, and we measure the Q-factor and the coupling efficiency of the fabricated photonic crystal resonator, in experiment. Based on measured values, we simultaneously investigate the reason why the Q-factor is reduced in the process of fabrication (Sec. 2.3). In the last section (Sec. 2.4), we show the efficient photon out-coupling from the curved-microfiber coupled photonic crystal lasers.
As achieving the nice coupling with the photonic crystal resonators, direct observation of high performance in the photonic crystal resonator becomes possible. The representative characteristic is the strong nonlinearity in the photonic crystal resonator (Chap. 3). Based on the strong nonlinearity, we demonstrate the very efficient all-optical bistable memory (Sec. 3.1) and switching (Sec. 3.2) in photonic crystal resonator, respectively. You can see the more details for those devices in each section.
During coupling, in experiment, between the PhC resonator and the microfiber, we accidently observed a very interesting red-shift of the resonance when the fiber is placed on top of the resonator. That is the change of the refractive index by the contact of the fiber. Furthermore, the index has the gradual change with the parabolic curvature along the fiber direction. Usually, the heterostructure photonic crystal resonator has known to be high Q-factor by the gradual index change along the PhC waveguide. As combine the concept of heterostructure photonic crystal resonator and the gradual index-change near the contact point of the curved microfiber, we can make the position-selectable PhC resonator having an extremely high Q-factor and directly coupled with a fiber. This configuration is very useful to combine between the single quantum dot and the high Q/V PhC cavity mode for achieving a single photon source. More detail is dealt in Chap. 4
광 결정 공진기는 주기적인 굴절률의 변화를 이용하여 빛을 가두기 때문에 다른 미소 공진기와 비교하여 매우 작은 크기 (빛의 파장 정도의 크기)를 가진다. 동시에 높은 공진기 품위 값을 가지기 때문에 비선형 광학, 양자 광학, 레이저 등과 같은 다양한 분야에서 많은 관심을 가지고 있다. 하지만 크기가 작아짐에 따라 빛을 외부 장치와 결합시키는 데 있어 점점 더 어려워지기 시작한다. 이러한 이유에서 본 연구는 이차원 광 결정 공진기와 미세 광섬유와의 결합에 대한 연구를 시작하였다.
다양한 결합 방식 중 우리는 휘어진 미소 광섬유를 이용하여 높은 효율로 이차원 광 결정 공진기와의 결합을 시도하였다. 휘어진 형태의 광섬유를 사용한 가장 대표적인 이유는 이차원 광 결정 공진기가 평면으로 놓여져 빛을 수직으로 발생시키는 형태를 가지기 때문이다. 즉, 직선형 미소 광섬유를 이용하게 되면 주변 구조물에 의해 빛이 산란되어 상당량의 빛을 잃게 되고, 수직으로 빛을 결합시키기 위해서는 미세한 광 결정 공진기의 제작이 필요하기 때문이다. 하지만 휘어진 미소 광섬유를 이용하게 되면 위의 문제들에 대해서 자유로워진다.
미소 광섬유와 광 결정 공진기의 결합에 있어 해결해야 될 문제는 두 물질 사이의 굴절률 차이에 의한 낮은 결합 효율이다. 일반적으로 광섬유의 굴절률은 약 1.5정도이고, 공진기의 굴절률은 실리콘인 경우 약 3.4정도가 된다. 결국, 두 모드 사이의 효과적 결합을 위해서는 공진 모드의 위상 분포를 잘 조절하여 광섬유와 결합을 최대화 하는 것이다. 이번 연구에서 우리는 이론적으로 선형 광 결정 공진기를 미세하게 잘 조절함으로써 약 80% 이상의 빛이 미소 광섬유와 결합한다는 사실을 확인하였다. 이를 바탕으로 미소 광섬유 결합된 광 결정 레이저를 제작을 하였고, 매우 낮은 문턱값(~35 $\mu W$)과 높은 결합 효율을 가지는 레이저를 구동하는데 성공하였다.
높은 효율로 광 결정 공진기와 광섬유가 결합을 함으로써 광 결정 공진기의 다양한 특성들을 실지로 측정을 할 수 있게 되었다. 그 중 대표적으로 높은 비선형성에 대한 특성을 살펴보았다. 광 메모리 및 광 스위치 장치를 구현하는데 있어 간단하면서도 높은 신뢰성을 가지는 방법이 물질의 비선형성을 이용하는 방법이다. 물질의 비선형성은 일반적으로 매우 높은 빛의 에너지를 가해야만 그 현상이 나타나는데, 만약 공진기를 이용하게 되면 우리는 그 효율을 극대화시킬 수 있게 된다. 이는 공진기내 빛의 에너지가 높은 밀도로 가둬져 있기 때문인데, 특히 광 결정 공진기는 높은 품위값과 동시에 작은 크기를 가지기 때문에 다른 미소 공진기와 비교하여 매우 높은 광 밀도를 가짐을 알 수 있다. 우리는 광 메모리 구현을 위하여 공진기 내 비선형 물질을 이용한 광 쌍안정성 현상을 이용하였다. 측정 결과 광 결정 공진기에서 매우 낮은 파워 (35 $\mu W$)에서 광 쌍안정성을 확인할 수 있었고, 이를 통해 매우 낮은 에너지 (75.4 fJ)로 구동하는 광 메모리를 구현하는데 성공하였다.
공진기는 비선형성 효율의 증진과 더불어 자발 방출 비율 변화에도 영향을 미친다. 이는 공진기 양자전기역학적 현상으로써 공진기내의 진공 상태의 변화에 의해 나타나는 현상으로 이해되고 있다. 이러한 자발 방출 비율의 변화는 효과적인 단일 광자원 구현에 있어 획기적인 기술이다. 재미있게도 이러한 자발방출 비율의 변화 정도는 역시 공진기의 크기가 작을수록, 그리고 공진기의 품위값이 클수록 더욱 크게 변화한다. 즉, 광 결정 공진기가 다른 미소 공진기에 비해 높은 가능성을 가짐을 알 수 있다. 단일 광자원 구현을 위해서는 단일 양자 점과의 결합이 필수적인데 광 결정 공진기 제작에 있어 정확한 양자점 위치로의 미세한 설계가 요구된다. 하지만, 이는 실험적으로 매우 어려운 작업일 뿐만 아니라, 실패 확률이 매우 높다. 이를 극복하기 위해 우리는 새로운 개념의 미소 광섬유가 결합된 광 결정 공진기를 제한하였고 실제로 구현하였다. 앞서 언급하였듯이 우리는 휘어진 미소 광섬유를 이용하였기 때문에 광섬유가 광 결정 위로 광섬유가 닿은 위치와 닿지 않은 위치가 구분된다. 휘어진 미소 광섬유를 광 도파로 위에 올려 놓음으로써 광섬유가 닿은 위치에서의 광 도파로의 분산곡선으로 변화시키고, 결국 닿은 위치에서만 광 결정 공진기가 형성되는 새로운 형태의 광 결정 공진기를 제작할 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 광섬유가 닿은 위치에서 높은 품위값 (Q ~ $10^6$)의 광 결정 공진 모드가 형성되는 것을 확인하였고, 동시에 높은 광섬유 모드와의 결합효율 ($\eta$~ 90%)을 가짐을 알 수 있었다. 실험적으로 광섬유가 닿음으로써 새로운 모드가 형성되는 것을 광 방출 및 투과 스펙트럼을 통해 확인할 수 있었고, 동시에 광섬유의 곡률 반경을 변화시킴으로써 공진 스펙트럼 역시 매우 미세하게 (< 0.6 nm) 변화시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 특성을 이용함으로써 위치 선택 형 광 결정 공진기는 위치에 민감한 양자 점과의 결합에 매우 효과적인 장치가 될 수 있을 것으로 기대된다.
