[論文レビュー] Optimized design of a Silica encapsulated photonic crystal nanobeam cavity for integrated Silicon-based nonlinear and quantum photonics

J. P. Vasco, Dario Gerace+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 59被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、キャビティに隣接する最初の数個のホールのみを変更することで、グローバル最適化戦略を用いて酸化ケイ素被膜を施したシリコンフォトニクスクリスタルナノビームキャビティの最適化設計を提示する。この手法により、800万を超える記録的な内在的品質因子、0.4(λ/n)³未満の回折限界を下回るモード体積、そして約8 μm²のコンactなフォトニクス・フォルムで65%を超える面内透過率を達成し、製造上の不規則性が存在する中でも、シリコンチップ上での非線形的および量子フォトニクスの性能向上を可能にする。

ABSTRACT

Photonic resonators allowing to confine the electromagnetic field in ultra-small volumes and with long decay times are crucial to a number of applications requiring enhanced nonlinear effects. For applications to integrated photonic devices on chip, compactness and optimized in-plane transmission become relevant figures of merit as well. Here we optimize an encapsulated Si/SiO$_2$ photonic crystal nanobeam cavity at telecom wavelengths by means of a global optimization procedure, where only the first few holes surrounding the cavity are varied to decrease its radiative losses. This strategy allows to achieve close to 10 million intrinsic quality factor, sub-diffraction limited mode volumes, and in-plane transmission above 65\%, in a structure with a record small footprint of around $8~μ$m$^2$. We address and quantitatively assess the dependence of the main figures of merit on the nanobeam length and fabrication disorder. Finally, we theoretically give a realistic estimate of the single-photon nonlinearity in such a device, which holds promise for prospective experiments in low-power nonlinear and quantum photonics.

研究の動機と目的

• 集積シリコンフォトニクス向けに、非線形的および量子的光学性能を向上させたコンパクトで高Qのフォトニクスクリスタルナノビームキャビティの設計を目的とする。
• 長く壊れやすい構造を避けるために、キャビティに最も近いホールのみを最適化することで、酸化ケイ素被膜を施したSiナノビームにおける低Q要因の課題を克服することを目的とする。
• 現実的なデバイス条件における製造不規則性がキャビティの品質因子および透過率に与える影響を定量化することを目的とする。
• 完全に統合されたシリコンプラットフォーム上で、将来の量子フォトニクス実験のための単一光子非線形結合強度と損失率の比を推定することを目的とする。

提案手法

• 放射損失を最小化するために、キャビティを囲む最初の5〜8個のホールの位置および半径を変更するため、グローバル最適化アルゴリズム（粒子群最適化）を用いる。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて、電磁モードプロファイル、品質因子（Q）、および透過スペクトルを計算する。
• キャビティの品質因子を内在的（Qc）および不規則性制限（Qd）の寄与に分解し、製造不具合に対する耐性を評価する。
• Purcell係数およびモード体積を用いて単一光子非線形結合強度（Unl）を推定し、Qdを介して損失率を考慮する。
• 近場のE_y成分のフーリエ変換を用いて、遠方場の放射パターンを可視化し、放射漏れの抑制を確認する。
• 自由支持および弱く束縛されたナノビームキャビティをベンチマークとして用い、Q/V、フォトニクス・フォルム、および面内透過率に注目して比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティに隣接する最も近いホールのみを最適化することで、酸化ケイ素被膜を施したシリコンプラットフォーム上に高Q・超コンパクトなフォトニクスクリスタルナノビームキャビティを実現できるか？
• RQ2 最適化対象のホール数を最小限に抑えた場合、品質因子、モード体積、および面内透過率の間にはどのようなトレードオフが生じるか？
• RQ3 製造不規則性（例：サイズおよび位置の変動）が、このようなコンパクトな設計における達成可能な品質因子にどのように影響を与えるか？
• RQ4 内在的損失および不規則性制限損失の両方を考慮した場合、この最適化されたデバイスにおける実際の単一光子非線形性対損失率比はどの程度か？

主な発見

• 最適化されたキャビティは、内在的品質因子が最大800万に達し、以前の被膜処理された設計と比べて顕著な向上を示した。
• モード体積は0.4(λ/n)³にまで低減され、約8 μm²のフォトニクス・フォルムで回折限界を下回る閉じ込めが確認された。
• 面内透過率は65%を超えており、統合フォトニクス回路への効率的な結合を示している。
• 実際の製造不規則性（σ/a = 0.002）が存在する状況でも、総合的品質因子は100万以上を維持しており、耐性があることが示された。
• 推定された単一光子非線形性対損失率比は約2×10⁻⁴であり、これほどのデバイスで報告された中で最も高い水準であり、量子干渉に基づく実験に適している。
• 遠方場解析により、放射漏れの強力な抑制が確認され、最適化が面外損失の低減に成功したことが裏付けられた。