[論文レビュー] Waveguide couplers for ferroelectric optical resonators

Ivan S. Grudinin, Alexander Kozhanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、同一の強誘電体材料であるリチウムニオブート（LiNbO₃）から作製されたチタン拡散型波導を用いて、高Q値のウィスピングギャラリー・モード（WGM）共振器への結合を実証している。この手法により、TM WGMへの結合が実現され、Q値は6000万を超えており、結合効率は11%に達する。これにより、高屈折率のプリズムに依存しない、より単純で統合的かつスケーラブルな光デバイス構造の実現が可能になる。

ABSTRACT

We report a study of using the same material to fabricate a whispering gallery mode resonator and a coupler. Coupling to high Q whispering gallery modes of the lithium niobate resonator is demonstrated by means of the titanium-doped waveguide. The waveguide coupling approach opens possibilities for simpler and wider practical usage of whispering gallery mode resonators and their integration into optical devices.

研究の動機と目的

• 高屈折率の強誘電体材料（例：リチウムニオブート）に起因する、従来のプリズム結合装置に依存しない、より単純で統合可能なWGM共振器への結合手法の開発。
• リチウムニオブートなど屈折率が2を超える高屈折率の強誘電体材料では、通常の光ファイバーやポリマー波導と不適合であるため、表面モード結合の課題を克服すること。
• 共振器と同一材料（LiNbO₃）で作製された波導を用いた結合により、効率的なモードマッチングと電場の重なりが可能であることを実証すること。
• プリズムベースの結合をモノリシック波導統合に置き換えることで、WGM共振器をオンチップ光回路に実用的に統合すること。
• ZカットWGM共振器への横方向エッジ結合に、チタン拡散型波導を用いる可能性を検討し、電子的周波数制御や非線形光学応用への応用を検討すること。

提案手法

• YカットXカットLiNbO₃基板上に、リソグラフィックリフトオフ法を用い、1000 °Cの酸素ガス中で10時間の焼鈍しを施した6 µm幅、100 nm厚のTi-diffused波導を形成し、十分な屈折率対比を達成した。
• 波導をZカットLiNbO₃ WGM共振器のエッジに平行に配置するエッジ結合構造を採用し、エッジ半径25 µmの3 mm直径の共振器を用いた。
• クリーブド・ファイバーチップを介して単モードCorning SMF-28ファイバに波導を結合させ、共振器のWGMへの横方向エバネッセント結合を実現した。
• 共振モードに対応する透過スペクトルの深さを観測し、ローレンツフィッティングを用いてQ値と結合効率を抽出した。
• 偏光依存性の結合を検討：TE波導モードはTM WGM（径方向E場）に結合し、TM波導モードはTE WGM（軸方向E場）に結合する。
• モードマッチングと電場重なりを最適化したが、屈折率の不一致とファイバとのモードフィールド重なりの悪さにより、透過損失が高かった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の強誘電体材料（LiNbO₃）から作製されたチタン拡散型波導が、WGM共振器への効率的エバネッセント結合を可能にするか？
• RQ2 リチウムニオブートにおいて、このモノリシック波導カップラー手法により達成可能なQ値と結合効率はどの程度か？
• RQ3 Zカット共振器において、波導モードの偏光状態が異なるWGM（TE対TM）への結合効率に与える影響は何か？
• RQ4 この手法は、高屈折率の強誘電体共振器における従来のプリズムベース結合を代替可能か？その簡便性と統合性の面での妥当性は？
• RQ5 現在の波導設計の主な制限要因は何か？また、それらは代替的な波導幾何形状によってどのように緩和可能か？

主な発見

• 波導から1 µm以内に共振器エッジを配置した場合、複数のTM WGMへの結合が観測され、効果的なエバネッセント場相互作用が確認された。
• 高Q値のTM WGMが測定され、Q値が6000万を超えた。これは、本プラットフォームにおける超高品質因子動作の可能性を示している。
• 最高Qモードにおける結合効率は11%に達し、強い電場重なりと効果的なモードマッチングを示している。
• TE波導モードの透過率は約10%にとどまり、モードフィールド重なりの悪さとファイバとの屈折率不一致が制限要因であった。
• TM波導モードの透過率は約1%にとどまり、偏光不一致に起因するTEスラブモードへの効率的結合が不十分であることが要因と考えられた。
• 結果として、強誘電体材料におけるモノリシック波導結合の実現可能性が裏付けられ、より単純で統合的かつスケーラブルな光デバイスへの道筋が示された。