마이크로링 공진기의 결합 조절을 통한 헤로딩 효율 및 밝기 최적화

초록

본 연구는 펄스 펌프를 이용한 마이크로링 공진기에서 스스로 발생하는 광자쌍의 헤로딩 효율과 밝기를 결합 강도를 전기적으로 조절함으로써 최적화한다. 실험적으로 93 kHz 이상의 검출된 동시 카운트를 달성했으며, 과도하게 결합된 영역에서 97.9 %에 달하는 내재 헤로딩 효율을 확인하였다. 측정된 결합 의존성은 이론적 모델과 일치하여 밝기와 헤로딩 효율 사이의 트레이드오프를 실증하였다.

상세 분석

이 논문은 마이크로링 공진기 기반의 자발적 사중파 혼합(SFWM) 광자쌍 발생 장치를 펄스 펌프 환경에서 운용하면서, 버스-링 결합 강도를 전기적으로 가변 가능한 MZI(Mach‑Zehnder Interferometer) 구조를 통해 정밀하게 조절한다는 점에서 독창적이다. 결합 강도는 외재 품질인자 Q_ext(Γ)와 내재 품질인자 Q_int(M)으로 표현되며, 로드된 품질인자 Q_loaded는 두 인자의 합으로 정의된다. 이론에 따르면 최대 동시 카운트(밝기)는 Γ≈4M(또는 일부 문헌에서는 Γ≈2M)에서 발생하고, 헤로딩 효율은 Γ≫M, 즉 과도 결합 영역에서 최대로 상승한다.

실험에서는 250 nm SOI 플랫폼 위에 699 µm 원형 링을 제작하고, TE 모드 전용 450 nm 폭 스트립 파이프를 사용하였다. 펌프는 1550.12 nm, 50 MHz 반복률, 158 pm 스펙트럼 폭을 가진 펨토초 레이저이며, VOA와 99:1 비율 빔스플리터로 전력을 제어·모니터링한다. 두 개의 100 GHz DWDM 필터(채널 34)와 추가 DWDM(채널 28, 40)으로 신호와 아이들러를 선택하고, SNSPD와 타임태거로 동시 검출을 수행한다.

광자쌍 생성률과 싱글 카운트는 다음과 같은 비선형 모델로 피팅한다.
C_{s,i}(P)=η_{s,i}