[논문 리뷰] Breaking the Loss Limitation of On-chip High-confinement Resonators

Xingchen Ji, F. A. S. Barbosa외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 27.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 54인용 수 155

한 줄 요약

저자들은 표면 거칠기 한계가 온칩 Si3N4 고집속 링 공진기의 손실을 극복할 수 있음을 보여주며, 초고품질 인자(Q) up to 37–67 million까지 달성하고 물질 흡수를 근본 한계로 식별합니다(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.

연구 동기 및 목표

• 고선속도, 저손실의 온칩 공진기를 통해 비선형 광학 및 계측을 위한 고집속의 가능성을 촉진하고 동기를 부여한다.
• Si3N4 링 공진기에서 표면 거칠기가 지배적인 손실 메커니즘인지 조사한다.
• 달성 가능한 품질 인자(quality factors)들을 정량화하고 물질의 근본 흡수 한계를 식별한다.

제안 방법

• 수 confinement 효과를 연구하기 위해 폭이 서로 다른 Si3N4 링 공진기(2.5 μm 및 10 μm)를 제작한다.
• 산란 손실을 억제하기 위해 표면 거칠기를 해결하고 감소시킨다.
• 손실 기여를 추정하기 위해 공진기의 품질 인자(Q)를 측정한다.
• 다른 고집속도를 가진 공진기를 비교하여 산란 손실과 흡수 손실을 구분한다.
• 다른 고집속도 수준을 가진 두 공진기로부터 물질 흡수 한계에 의한 Q를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 거칠기가 온칩 고집속 Si3N4 링 공진기의 손실에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 표면 거칠기를 개선하면 Si3N4 공진기에서 동시에 높은 품질 인자와 높은 고집속도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 이 장치들에서 지배적 손실 메커니즘(산란 vs 흡수)은 무엇이며 물질 흡수에서 어떤 근본적 한계가 발생하는가?
• RQ4 실리콘 질화물 플랫폼에서 서브마이크로미터 및 마이크로미터 규모의 링 공진기에서 달성 가능한 Q 인자는 무엇인가?

주요 결과

• 표면 거칠기가 감소된 고집속 Si3N4 링 공진기는 각각 2.5 μm 폭에서 37 million, 10 μm 폭에서 67 million의 Q 인자를 달성한다.
• 표면 거칠기에 대처함으로써 온칩 공진기에서 매우 높은 Q 인자를 달성하기 위한 체계적 경로가 입증된다.
• 물질 흡수에 의해 손실이 제한되는 것으로부터 0.13 dB/m로 추출되며, 서로 다른 고집속도 공진기를 비교함으로써 흡수 한계 Q가 최소 170 million에 해당하는 것으로 간주된다.
• 본 연구는 초저전력 주파수 comb 생성, 고정밀 센싱, 레이저 안정화, 측면대역 분해 광기계학 등과 같은 칩 규모 플랫폼을 확립한다.