As revolutionary researches have been underway to recreate state-of-the-art optical technologies (e.g., frequency comb spectroscopy, optical clock) into a miniaturized system integrated on a single chip, interests in on-chip optical microresonators with high quality (Q) factor have been massively increased. Many attempts have been recently made to introduce new materials that strongly interact with light into the resonators. However, unlike conventional materials with reliable microfabrication protocols, it is exceedingly difficult to establish an optimized process for each newly introduced material, and often the processing itself has been considered challenging. Therefore, in the resonators photon lifetime is significantly reduced so that the feasible Q-factor has been far lower than the material limit. In this thesis, to overcome these limitations, we investigate the working principle of light-guiding structures from the viewpoint of transformation optics and propose a universal method to realize on-chip high-Q resonators for any material capable of film deposition. To substantiate the validity of the proposed method experimentally, we prepare and analyze the resonators using new materials including As$_2$S$_3$, one of the chalcogenide glasses featured in notably high nonlinearity. A flip-chip evanescent coupling configuration is also applied for accessing the resonators efficiently. The Q-factor of the As$_2$S$_3$ resonator was measured to 1.44x10$^7$, which is ~30-fold improved compared to the previous and further close to the performance of the chalcogenide fibers. Also, using the high-nonlinear resonator, stimulated Brillouin scattering laser is successfully demonstrated. Benefitting from the boosted Q-factor, it is confirmed that the laser has ~100 times reduced threshold pump power than the former record.
분광센서, 광학시계 등 거대 광학 기반의 최첨단 기술을 단일 칩에 집적된 초소형 시스템에서 재현하는 획기적인 연구가 이뤄지면서 Q-지수가 높은 온 칩 미세광공진기에 대한 관심이 커지고 있다. 최근에는 빛과 더욱 강하게 상호작용을 하는 신소재를 공진기에 도입하고자 하는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 잘 정립된 공정 프로토콜을 갖춘 기존 재료와는 달리, 각각의 신소재에 대해 최적화된 공정을 새로이 정립하는 것은 매우 까다롭고 가공 자체가 난제인 경우도 많다. 본 논문에서는 이러한 한계를 극복하고자 변환 광학 관점에서 광도파의 원리를 규명하였으며, 이를 기반으로 박막 형태로 증착 되는 어떤 물질이든 Q-지수가 매우 높은 공진기 구현이 가능한 보편적 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 실험적으로 검증하기 위해 As2S3 등 고비선형 물질을 이용하여 공진기를 구현하고 분석하였다. 효율적 공진기 접속을 위해 플립칩 에바네센트 결합 구성이 적용되었다. 구현된 As$_2$S$_3$ 공진기의 Q-지수는 1.44x10$^7$으로 측정되었다. 이는 이전 연구에 비해 30배 이상 향상된 수치이며, As$_2$S$_3$ 광섬유의 성능에 근접하는 수준이다. 또한 향상된 Q-지수에 의해 브릴루앙 레이저의 문턱 에너지는 이전 기록에 비해 약 100배 저감 되었음을 확인하였다.
