Nonreciprocal light transmission in a nonlinear non-Hermitian silicon waveguide

Abstract

열린 계 혹은 이득이나 손실이 존재하는 시스템은 비-허미션 해밀토니안으로 기술할 수 있다. 특이점은 모든 고유값과 고유 벡터가 동일한 파라미터 공간상의 예외적인 지점이며, 오직 비-허미션 시스템에만 존재한다. 특이점 기반 광학 소자는 기존 허미션 광학 시스템에서 볼 수 없었던 독특한 광학 현상을 보여주기 때문에, 도전적인 문제들의 돌파구로 주목을 받고 있다. 온칩형 광대역 광다이오드는 광 집적 회로의 작동에 있어 해결해야할 까다로운 문제 중 하나이다. 이는 광학 집적회로의 필수 부품이지만 대부분의 반도체와 유전 물질의 상호 특성 때문에 구현이 어렵다. 본 논문에서는 비헤르미트 광학 시스템의 EP 근처의 동적 특성을 분석하고 EP 역학을 기반으로 온칩 광대역 광학 다이오드 역할을 하는 비선형 비헤르미트 실리콘 도파관 커플러를 디자인한다. 1장에서는 '온칩형 비가역 광학 소자'에 대한 기존 연구를 간략히 소개한다. 2장에서는 간단한 이진 광학 시스템을 예로 들어 비-허미션 시스템과 특이점의 특성에 대해 논의한다. 특이점을 둘러싸는 매개 변수공간 상의 경로를 따라 시스템이 변할 때 나타나는 동적 특성에 대해서도 논의한다. 3장에서는 특이점을 감싸고 도는 경로로 발생하는 파라미터 공간상의 변화를 모방하는 소자를 설계하고, 설계된 소자가 단방향 모드 전환기로 작동함을 보여준다. 또한 해밀토니안 모델을 사용하여 설계한 소자에서의 단방향 모드 변환 효율과 손실을 추정한다. 4장에서는 3장에서 설계한 단방향 모드 변환기에 실리콘 비선형 효과를 적용하여, 펄스 입력에 대해 정방향 신호비 10 dB의 비가역 광투과를 실현한다. 설계된 소자는 광 집적회로에서 초단거리 레이저 펄스와 고밀도 광학 신호 처리에 응용할 수 있는 큰 잠재력을 보여준다.| An open system and a system with gain or loss can be described by a non-Hermitian Hamiltonian. The exceptional point (EP), a singularity point at which mutiple eigenvalues and eigenvectors simultaneously collapse, only exists in such a non-Hermitian system. Recently, the EP-based optical devices have received attention as a breakthrough in challenging issues since the presence of the EP causes unique optical phenomena that have not been seen in conventional Hermitian optical systems. The on-chip broadband optical diode is one of the demanding issues in the operation of the optical integrated circuit. It is an essential component of the optical integrated circuit but hard to implement due to the unfavorable characteristics of most semiconductor and dielectric materials. This thesis analyzes dynamic property near EP of the non-Hermitian optical system and designs a nonlinear non-Hermitian silicon waveguide coupler that acts as on-chip broadband optical diode based on the EP dynamics. In chapter 1, we briefly introduce existing study on ‘on-chip nonreciprocal optical devices.’ In chapter 2, using a simple exemplary binary optical system, we discuss the characteristics of the non-Hermitian system and EP. We also investigate the dynamic properties that appear when the system changes along the parametric path encircle the EP. Chapter 3 designs the device that imitates the parametric evolution encircling an EP and shows that the designed device operates as a unidirectional mode converter. Also, we estimate the unidirectional mode-converting efficiency and loss of the designed element by using the Hamiltonian model. In Chapter 4, we apply the nonlinear effect of silicon to the unidirectional mode converter with a length of 100 mm designed in Chapter 3 and realize the nonreciprocal light transmission with a forward to backward signal ratio of about 10 dB. The proposed encircling-EP-based optical diode has broadband operating characteristics, and there is room for performance improvement by optimizing the encircling path. Therefore, it shows the potential for broadband monolithic optical isolation in next-generation photonic integrated circuits.