[論文レビュー] Interferometric cavity ring-down technique for ultra-high Q-factor microresonators

Stefano Biasi, Riccardo Franchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、表面粗さに起因するバックスキャッタリングによるモードカップリングの影響を受ける超高Qマイクロレゾネータの極限的Qファクターを測定する干渉的キャビティリングダウン（CRD）手法を提案する。制御された位相差を有する時計回りおよび反時計回りモードをコherently励起することで、共鳴二重項が1つのローレンツ応答に統合され、標準的な指数関数的減衰解析が可能となり、光子寿命が抽出可能になる。これにより、表面粗さに起因する非エルミート的カップリングが存在する状況下でも、内在的Qファクターが正確に測定可能となる。

ABSTRACT

Microresonators (MRs) are key components in integrated optics. As a result, the estimation of their energy storage capacity as measured by the quality factor (Q) is crucial. However, in MR with high/ultra-high Q, the surface-wall roughness dominates the intrinsic Q and generates a coupling between counter-propagating modes. This splits the usual sharp single resonance and makes difficult the use of classical methods to assess Q. Here, we theoretically show that an interferometric excitation can be exploited in a Cavity Ring-Down (CRD) method to measure the ultimate Q of a MR. In fact, under suitable conditions, the resonant doublet merges into a single Lorentzian and the time dynamics of the MR assumes the usual behavior of a single-mode resonator unaffected by backscattering. This allows obtaining a typical exponential decay in the charging and discharging time of the MR, and thus, estimating its ultimate Q by measuring the photon lifetime.

研究の動機と目的

• 表面粗さに起因するバックスキャッタリングが共鳴を二重項に分離させる超高Qマイクロレゾネータにおいて、極限的Qファクターを正確に測定する課題に対処すること。
• 非ローレンツ型線形形状および高Q系における振動的減衰のため、従来のQファクター推定手法が失敗する問題を克服すること。
• 干渉的励起が単一モード指数関数的減衰ダイナミクスを回復させることを示し、信頼性の高い光子寿命測定を可能にすること。
• 実際の製造不具合に起因する非エルミート的カップリングを含む状況でも、本手法が有効であることを検証すること。
• リングレゾネータに限らず、フォトニックスクリスタルやバルクレゾネータを含む他のキャビティ幾何構造へも一般化可能であることを示すこと。

提案手法

• 時間的カップルドモード理論を用いて、バス波ガイドに結合するマイクロレゾネータ内の時計回り（CW）および反時計回り（CCW）モードの相互作用をモデル化する。
• 左入力ポートおよび右入力ポートからの干渉的励起を用い、制御された位相差φを導入することで、システム応答を設計する。
• グリーン関数を用いてシステム応答を計算し、矩形パルス励起下での場の振幅に関する連立微分方程式を解く。
• 出力場は、グリーン関数と入力パルスの畳み込みとして導出され、キャビティリングダウン挙動の時間領域解析が可能になる。
• 主な革新点は、入力場の位相および振幅を調整することで、二重項が1つのローレンツ関数に統合され、指数関数的減衰が回復されることにある。
• 光子寿命τphは、充電および放電段階の減衰エンVELOPEから抽出され、これにより直接的に極限的Qファクターが得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 干渉的励起は、超高Qマイクロレゾネータにおけるバックスキャッタリングに起因するモード分裂の影響を抑制し、単一モードリングダウン応答を回復できるか？
• RQ2 反対方向に伝播するモードが形成する共鳴二重項が、どのような条件下で1つのローレンツピークに崩壊するか？
• RQ3 干渉的CRD手法は、表面粗さに起因する非エルミート的カップリングが存在する状況でも、極限的Qファクターの正確な測定を可能にするか？
• RQ4 本手法は、保存的（エルミート的）および散逸的（非エルミート的）カップリングの両 regimes に適用可能か？
• RQ5 本手法は、リングレゾネータに限らず、他のマイクロレゾネータ幾何構造へ一般化可能か？

主な発見

• 干渉的励起により、共鳴二重項が1つのローレンツ応答に統合され、標準的なキャビティリングダウン解析が可能となった。
• 時間領域応答は、充電および放電段階で明確な指数関数的減衰を示し、バックスキャッタリングの影響を受けない単一モードレゾネータの特徴を示した。
• 光子寿命τphは、減衰エンVELOPEから正確に測定可能であり、これにより極限的Qファクターが直接推定可能となった。
• 本手法は、エルミート的および非エルミート的カップリングの両 regimes に有効であり、現実の製造不具合に起因する非理想性に対しても頑健であることが示された。
• 理論的に、球形、バルク、フォトニックスクリスタルマイクロレゾネータを含む他のキャビティ幾何構造へも一般化可能であることが示された。
• 本手法は、超高Q系において顕著な限界となる高スペクトル分解能を必要としないため、大きな利点を有する。