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다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nonlinear wavelength conversion occurred by light-matter interaction is important for a range of applications, such as visible laser light sources, narrowband single photon sources, and long-distance quantum information networks. Bulk nonlinear optical materials such as BBO and KTP are used for the wavelength conversion. However, since the optical interaction per length between light and the materials is too weak, it is difficult to miniaturize and integrate the wavelength-conversion devices with other optical components. For increase of the optical interaction and miniaturization of the devices, photonic nanostructures such as metasurfaces, ring resonators, photonic crystal waveguides, and nanocavities have been intensively used because the localization in the nanostructures can generate the strong nonlinear light-matter interaction. In particular, photonic crystal (PC) nanocavities have a great potential for realization of highly efficiency wavelength-conversion devices thanks to the wavelength-scale mode volumes and high quality (Q) factors of the cavities.
Until now, second-harmonic generation (SHG), which is a representative nonlinear wavelength conversion in the PC nanocavities have been studied. However, the normalized and absolute SHG efficiencies have remained at low levels of 102%/W and 10-3%/W, respectively. This is due to the lack of a general design strategy to obtain high efficiency in a photonic nanocavity with an input waveguide and immature nanofabrication of high-Q PC nanocavities.
In this dissertation, we study the SHG in a general photonic nanostructure: a waveguide-side-coupled resonator. First, we theoretically analyze the influence of the various parameters such as input power, Q factors, and nonlinear conversion coefficient between fundamental and SHG modes of the resonator on the SHG efficiency. We show that high Q factors and large nonlinear conversion coefficient are important to enhance the SHG efficiency. On the basis of the analysis of the SHG efficiency, we design a PC nanocavity. We calculate the Q factors and nonlinear conversion coefficient of the cavities and optimize the structural parameters for achievement of high SHG efficiency. Next, to realize highly efficient SHG in the nanocavity, we develop nanofabrication of the silicon carbide (SiC)-based PCs. SiC is one of the most promising wide-bandgap semiconductors for efficient SHG because of its excellent properties of large nonlinear optical response, ignorable linear and nonlinear absorption in wide wavelength range. By optimizing the nanofabrication process, we fabricate the SiC PC nanocavity with ultrahigh Q factor of 8.60×105, which is an order of magnitude higher than previous value reported in wide-bandgap semiconductor-based photonic nanocavities. Then, we investigate SHG characteristics. It is shown that normalized SHG efficiency of 7700%/W is obtained in the nanocavity, which is 19 times higher than previous highest efficiency reported in photonic nanocavities. Moreover, the dependency of the normalized efficiency on Q factor of the nanocavity is experimentally and theoretically shown. Lastly, we demonstrate the enhancement of absolute SHG efficiency in a waveguide-coupled nanocavity by introducing a reflector at the edge of the waveguide. We show experimentally the absolute SHG efficiency as high as 3.6×10-1%, which is 60 times as previous results.

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국문 초록 (Abstract)

빛과 물질 간의 상호 작용에 의해 발생하는 비선형 파장 변환은 가시광 레이저, 좁은 대역의 단일 광자 광원, 그리고 장거리 양자 정보 네트워크 등 여러가지 응용 분야에서 매우 중요한 역할을 한다. 파장 변환을 달성하기 위해, BBO와 KTP 같은 벌크 비선형 광학 물질이 주로 사용되고 있다. 하지만, 벌크 물질에서는 단위 길이 당 빛과 물질 간의 상호 작용이 약하기 때문에, 비선형 파장 변환 소자의 소형화와 집적화가 다소 어렵다. 소자의 소형화와 더불어 비선형 파장 변환의 향상을 위해, 메타표면, 링 공진기, 광자결정 도파로, 그리고 나노공진기와 같이 빛의 국재화를 통해 빛과 물질 간의 상호 작용을 크게 증대할 수 있는 광 나노구조체가 사용되고 있다. 특히, 파장 수준의 매우 작은 모드 볼륨과 높은 Q값을 갖는 광자결정 나노공진기가 고효율 파장 변환의 달성을 위한 구조체로서 주목받고 있다.
지금까지, 광자결정 나노공진기에서 비선형 파장 변환 중 대표적인 제2조화파 생성에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 하지만, 제2조화파 생성의 규격화 및 절대 효율이 아직까지 102%/W 그리고 10-3% 수준에 머물러있다. 이러한 이유는 높은 파장 변환 효율을 얻기 위한 입력 도파로 결합형 나노공진기의 일반적인 설계 규칙이 없고, 높은 Q값을 갖는 광자결정 공진기의 제작이 아직까지 미성숙하기 때문이다.
본 논문에서는 도파로 측면 결합형 공진기 시스템에서의 제2조화파 생성에 대해서 연구한다. 먼저, 공진기의 입력 파워, Q값, 그리고 기본 모드와 제2조화파 모드 사이의 비선형 변환 계수 등 여러가지 변수가 제2조화파 생성 효율에 미치는 영향을 이론적으로 분석한다. 높은 Q값과 큰 비선형 변환 계수가 공진기에서의 제2조화파 생성 효율을 향상시키는데 중요함을 보인다. 이러한 제2조화파 생성 효율의 분석을 기반으로, 광자결정 나노공진기를 설계한다. 광자결정 나노공진기의 Q값과 비선형 변환 계수를 계산하고, 고효율 제2조화파 생성을 위해 공진기의 구조 변수를 최적화한다. 다음으로, 공진기에서 고효율 제2조화파 생성을 구현하기 위해, 실리콘카바이드 기반 광자결정의 나노 제작 기술을 개선한다. 실리콘카바이드는 넓은 전자 밴드갭 반도체로서, 큰 비선형 광학 계수와 광대역 저손실의 우수한 성질을 가지기 때문에, 고효율 제2조화파 생성에 매우 유용하다. 나노 제작 기술을 최적화하여, 고품질의 실리콘카바이드 광자결정 나노공진기를 제작하고, 기존의 넓은 전자 밴드갭 반도체 기반의 나노공진기에서 보고된 값보다 10배 이상 높은 8.60×105의 Q값을 달성한다. 이러한 높은 Q값의 실리콘카바이드 광자결정 나노공진기의 제2조화파 특성을 조사한다. 기존의 광 나노공진기에서 보고된 결과보다 19배 이상 큰 7700%/W의 규격화된 제2조화파 생성 효율이 달성됨을 보인다. 또한, 공진기의 Q값에 대한 규격화된 제2조화파 생성 효율의 의존성을 실험적, 그리고 이론적으로 보인다. 마지막으로, 도파로 가장자리에 반사기를 도입함으로써, 도파로 결합형 나노공진기의 제2조화파 생성 절대 효율이 향상됨을 입증한다. 기존의 결과보다 60배 이상 큰 3.6×10-1%의 절대 효율이 달성됨을 실험적으로 보인다.

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빛과 물질 간의 상호 작용에 의해 발생하는 비선형 파장 변환은 가시광 레이저, 좁은 대역의 단일 광자 광원, 그리고 장거리 양자 정보 네트워크 등 여러가지 응용 분야에서 매우 중요한 역...

목차 (Table of Contents)

1 Introduction 1
1.1 Background and motivation 1
1.2 Objective 5
1.3 Outline of this study 6
2 Design strategy of a photonic nanocavity for efficient secondharmonic generation 14

1 Introduction 1
1.1 Background and motivation 1
1.2 Objective 5
1.3 Outline of this study 6
2 Design strategy of a photonic nanocavity for efficient secondharmonic generation 14
2.1 Introduction 14
2.2 Modeling of second-harmonic generation process 15
2.3 Second-harmonic generation efficiency in photonic nanocavity 18
2.4 Second-harmonic generation efficiency in cavity-waveguide coupling system 24
2.5 Summary 30
3 Design of a SiC photonic crystal nanocavity for efficient secondharmonic generation 34
3.1 Introduction 34
3.2 SiC photonic crystal nanocavities with ultrahigh Q factors 35
3.3 Second-harmonic generation in SiC photonic crystal nanocavity 40
3.4 SiC input photonic crystal waveguide for efficient coupling to cavities 44
3.5 Summary 47
4 Fabrication and fundamental optical characterization of SiC photonic crystal nanocavities 50
4.1 Introduction 50
4.2 Fabrication process and results 50
4.3 Measurement and analysis of experimental Q factors 64
4.4 Summary 77
5 Experiment of second-harmonic generation in ultrahigh-Q SiC photonic crystal nanocavities 80
5.1 Introduction 80
5.2 Investigation of second-harmonic generation characteristics 80
5.3 Enhancement of second-harmonic generation efficiency in a reflective waveguide-coupled nanocavity 93
5.4 Summary 107
6 Conclusion 110
6.1 Summary 110
6.2 Future works 114
Korean Abstract 116

참고문헌 (Reference)

1 Y. Akahane et al., "“ Fine-tuned high-Q photonic-crystal nanocavity , ”", Opt . Express13 , 1202-1214, 2005

2 R. Konoike et al., "“ On-demand transfer of trapped photons on a chip , ”", Sci .Adv . 2 , e1501690, 2016

3 B. S. Song et al., "“ Photonic devices based on in-plane hetero photonic crystals ”", Science300 , 1537, 2003

4 C. Manolatou et al., "“ Coupling of modes analysis of resonant channel adddrop filters , ”", IEEE J. Quantum Electron35 , 1322-1331, 2003

5 Y. Tanaka et al., "“ Dynamic control of the Q factor in a photonic crystal nanocavity , ”", Nature Mat6 , 862-, 2007

6 B. S. Song et al., "“ Role of interfaces in heterophotonic crystals for manipulation of photons , ”", Phys . Rev . B71 , 195101, 2005

7 H. Watanabe et al., "“ High-efficiency photonic crystal microlaser integrated with a passive waveguide , ”", Opt . Express16 , 2694-2698, 2008

8 S. Yamada et al., "“ Second-harmonic generation in a silicon-carbidebased photonic crystal nanocavity , ”", Opt . Lett39 , 1768-1771, 2014

9 B. S. Song et al., "“ Transmission and reflection characteristics of in-plane hetero-photonic crystals , ”", Appl . Phys . Lett85 , 4591, 2004

10 P. Kramper et al., "“ Highly directional emission from photonic crystal waveguides of subwavelength width , ”", Phys . Rev . Lett92 , 113903, 2004