[論文レビュー] Breaking the Loss Limitation of On-chip High-confinement Resonators

Xingchen Ji, F. A. S. Barbosa+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 54被引用数 155

ひとこと要約

著者らは、オンチップSi3N4高結合リング共振器における表面粗さの制限を克服できることを示し、Qが37–67 millionまで超高い値を達成し、材料吸収が基本的限制となることを特定した（Q ≥ 170 million）。

ABSTRACT

On-chip optical resonators have the promise of revolutionizing numerous fields including metrology and sensing; however, their optical losses have always lagged behind their larger discrete resonator counterparts based on crystalline materials and flowable glass. Silicon nitride (Si3N4) ring resonators open up capabilities for optical routing, frequency comb generation, optical clocks and high precision sensing on an integrated platform. However, simultaneously achieving high quality factor and high confinement in Si3N4 (critical for nonlinear processes for example) remains a challenge. Here, we show that addressing surface roughness enables us to overcome the loss limitations and achieve high-confinement, on-chip ring resonators with a quality factor (Q) of 37 million for a ring with 2.5 μm width and 67 million for a ring with 10 μm width. We show a clear systematic path for achieving these high quality factors. Furthermore, we extract the loss limited by the material absorption in our films to be 0.13 dB/m, which corresponds to an absorption limited Q of at least 170 million by comparing two resonators with different degrees of confinement. Our work provides a chip-scale platform for applications such as ultra-low power frequency comb generation, high precision sensing, laser stabilization and sideband resolved optomechanics.

研究の動機と目的

• 非線形光学と計測のための高結合・低損失のオンチップ共振器を動機づけ、実現する。
• Si3N4リング共振器における表面粗さが主要な損失機構かを調査する。
• 達成可能な品質因子(Q)を定量化し、材料の根本的な吸収限界を特定する。

提案手法

• 局所的に幅が異なる（2.5 μmと10 μm）のSi3N4リング共振器を作製し、閉じ込め効果を研究する。
• 散乱損失を抑制するために表面粗さを対処・低減する。
• 共振器の品質因子(Q)を測定して損失寄与を抽出する。
• 異なる閉じ込めを持つ共振器を比較して散乱損失と吸収損失を分離する。
• 異なる閉じ込めレベルを持つ2つの共振器から材料吸収限界のQを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップ高結合Si3N4リング共振器の損失に対する表面粗さの影響はどの程度か？
• RQ2 表面粗さの改善はSi3N4共振器で同時に高品質因子と高閉じ込めを実現できるか？
• RQ3 これらのデバイスで主要な損失機構（散乱 vs 吸収）は何か、材料吸収から生じる根本的な限界は何か？
• RQ4 シリコン窒化物プラットフォーム上でサブミクロンおよびミクロンスケールのリング共振器で達成可能なQ因子はどれか？

主な発見

• 表面粗さを低減した高結合のSi3N4リング共振器は、Q因子を37 million（幅2.5 μm）および67 million（幅10 μm）に達する。
• 表面粗さに対処することにより、オンチップ共振器で非常に高いQ因子を達成する体系的な道筋を示している。
• 材料吸収により損失が制限されることは0.13 dB/mとして抽出され、異なる閉じ込めの共振器を比較することにより、吸収限界のQが少なくとも170 millionに相当する。
• この研究は、超低消費電力の周波数コム発生、高精度センシング、レーザ安定化、サイドバンド分解機能を備えたチップ規模プラットフォームを確立する。