[論文レビュー] Integrated Ultra-High-Q Optical Resonator

Ki Youl Yang, Dong Yoon Oh+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、2億を超える記錣的Qファクターを達成する統合リッジ光学共鳴器を提案し、モノリシックなプラットフォーム上で超低損失かつ設計の柔軟性を実現した。1チップ上での高コherentlyなブリルアインレーザーとチューナブルなソリトン光源の実現により、離散的かつ超高Qファイバー共鳴器と統合ナノフォトニクス回路の性能格差を埋めるものである。

ABSTRACT

Optical microcavities are essential in numerous technologies and scientific disciplines. However, their application in many areas relies exclusively upon discrete microcavities in order to satisfy challenging combinations of ultra-low-loss performance (high cavity-Q-factor) and cavity design requirements. Indeed, finding a microfabrication bridge connecting ultra-high-Q device functions with micro and nanophotonic circuits has been a long-term priority of the microcavity field. Here, an integrated ridge resonator having a record Q factor over 200 million is presented. Its ultra-low-loss and flexible cavity design brings performance that has been the exclusive domain of discrete silica and crytalline microcavity devices to integrated systems. Two distinctly different devices are demonstrated: soliton sources with electronic repetition rates and high-coherence Brillouin lasers. This multi-device capability and performance from a single integrated cavity platform represents a critical advance for future nanophotonic circuits and systems.

研究の動機と目的

• モノリシックフォトニクス回路に超高Q光学性能を統合するという長年の課題に取り組む。
• 離散的マイクロコアの制限を超えて、ナノフォトニクスシステムとチップ内での互換性を実現する。
• 1つの統合共鳴器プラットフォーム内で、ソリトン生成とブリルアインレーザーの両機能を実証する。
• 従来、離散的ケイサリアまたは結晶性マイクロコアにのみ実現可能だった性能を、統合的かつスケーラブルな形式で達成する。

提案手法

• 高品質・低損失の誘電体材料プラットフォームを用いてリッジ型光学共鳴器の設計およびプロトタイピングを実施した。
• 散乱損失および放射損失を最小限に抑えるために、共鳴器の幾何形状と側面の滑らかさを最適化した。
• 共鳴器をチップ内波ガイドおよび制御素子と結合するモノリシック統合手法を実装した。
• 高Qファクターを活用して、ソリトン形成や誘導ブリルアイン散乱のような非線形光起現象を支援した。
• 共鳴器の有効長をアクティブ制御することで、ソリトン光源の繰り返し周波数を電子的にチューニング可能とした。
• 一様な統合共鳴器から、コherentlyなソリトン生成と高コherentlyなブリルアインレーザー発振の両方を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合リッジ共鳴器は、離散的超高Qマイクロコアと同等のQファクターを達成できるか？
• RQ2 1つのチップ内共鳴器で、ソリトンベースの周波数コンブ生成と高コherentlyなブリルアインレーザー発振を統合できるか？
• RQ3 リッジ共鳴器の設計が、超低損失と柔軟なキャビティ設計を両立させる仕組みは何か？
• RQ4 記錣的Qファクターを達成することで、統合フォトニクス回路の性能はどの程度向上できるか？
• RQ5 完全に統合された超高Qプラットフォームで、ソリトン繰り返し周波数の電子的チューニングを実現できるか？

主な発見

• 統合リッジ共鳴器は2億を超えるQファクターを達成し、チップ上光学共鳴器における記錣的記録を更新した。
• 電子的チューニング可能な繰り返し周波数を有するソリトン形成によるコherently周波数コンブ生成が可能となった。
• 同じ統合共鳴器から高コherentlyなブリルアインレーザー発振が実証され、多機能性が確認された。
• プラットフォームは超低損失動作をサポートするとともに、設計の柔軟性を維持しており、ナノフォトニクス回路との統合が可能である。
• 結果として、統合マイクロコアが離散的ケイサリアおよび結晶性マイクロコアの性能に並ぶことが示された。
• 1つのプラットフォームが2つの異なる高性能フォトニクス機能をサポートしたことで、複雑なチップ内フォトニクスシステムへの重要な一歩が達成された。