[논문 리뷰] Waveguide couplers for ferroelectric optical resonators

Ivan S. Grudinin, Alexander Kozhanov외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 25.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오바이트에서 동일한 반도체 물질로 제작된 티타늄 확산형 파손을 사용하여 고Q 요철성 모드(WGM) 공진기와의 파손 결합을 시현한다. 이 방법은 TM WGM에 대해 Q 요인이 6000만 이상이고 결합 효율이 11%에 이를 정도로 높아, 고색수 프리즘에 의존하지 않는 더 단순하고 통합적이며 확장 가능한 광기기 아키텍처를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• bulky 프리즘 결합 장치에 의존하지 않고 고Q 반도체 WGM 공진기와의 간단하고 통합 가능한 결합 방법을 개발하기 위해.
• 리튬니오바이트와 같이 굴절률이 2 이상인 고굴절률 반도체 물질에서의 증발파 결합 문제를 해결하기 위해.
• 공진기와 동일한 물질(LiNbO3)로 제작된 파손을 사용하면 효과적인 모드 매칭과 전기장 겹침을 가능하게 함을 입증하기 위해.
• 복잡한 프리즘 기반 결합을 단일 파손 통합으로 대체하여 WGM 공진기를 칩기반 광회로에 실용적으로 통합하기 위해.
• 타이타늄 확산형 파손을 사용한 횡변형 모서리 결합이 전자적 튜닝 및 비선형 광학 응용에 적합한 Z-절단 WGM 공진기와의 결합 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 리튬니오바이트 기판(Y-절단 X-절단)에 6 µm 너비, 100 nm 두께의 티타늄 확산형 파손을 리소그래피 리프팅 및 1000 °C에서 10시간 동안 산소 분雰위에서 열처리하여 충분한 굴절률 대비를 확보하였다.
• 파손이 3 mm 지름의 Z-절단 리튬니오바이트 WGM 공진기의 모서리에 평행하도록 정렬된 모서리 결합 기하구조를 사용하였다. 모서리 반경은 25 µm였다.
• 깎은 섬유 끝을 통해 단일 모드 Corning SMF-28 섬유와 연결하여 횡방향 증발파 결합을 통해 공진기의 WGM에 결합하였다.
• 특정 WGM에 대한 결합을 관찰하기 위해 전송 스펙트럼을 측정하였으며, 루르티안 피팅을 통해 Q 요인과 결합 효율을 추출하였다.
• 편광 의존성 결합을 탐색: TE 파손 모드는 TM WGMs(반경방향 E장)에 결합하고, TM 파손 모드는 TE WGMs(축방향 E장)에 결합한다.
• 모드 매칭과 전기장 겹침을 최적화하였지만, 굴절률 불일치와 섬유와의 모드 필드 겹침 부족으로 인해 전송 손실이 높았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WGM 공진기와 동일한 반도체 물질에서 제작된 티타늄 확산형 파손이 증발파 결합을 효율적으로 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 리튬니오바이트에서 이러한 단일 파손-결합 기반 접근법을 통해 도달할 수 있는 Q 요인과 결합 효율은 얼마인가?
• RQ3 파손 모드의 편광 상태가 Z-절단 공진기에서 서로 다른 WGM(Te 대 TM)에 대한 결합 효율에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 이 방법은 고굴절률 반도체 공진기에서 기존의 프리즘 기반 결합을 대체할 수 있는가? 단순성과 통합성 측면에서의 교환 조건은 무엇인가?
• RQ5 현재 파손 설계의 주요 제약 요소는 무엇이며, 이를 보완하기 위해 다른 파손 기하구조는 어떻게 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 공진기 모서리가 파손에서 1 µm 이내에 위치할 경우 다수의 TM WGM에 대한 결합이 관측되어 효과적인 증발장 상호작용을 확인하였다.
• 고Q TM WGM의 Q 요인이 6000만 이상을 초과하는 것으로 측정되어 이 플랫폼에서 초고품질 요인 작동의 잠재력을 입증하였다.
• 최고의 Q 요인 모드에서의 결합 효율이 11%에 도달하여 강한 전기장 겹침과 효과적인 모드 매칭을 나타내었다.
• TE 파손 모드의 전송율은 약 10%였으며, 모드 필드 겹침 부족과 섬유와의 굴절률 불일치로 제한되었다.
• TM 파손 모드의 전송율은 약 1%에 불과했으며, 편광 불일치로 인해 TE 슬래브 모드에 효율적으로 결합되지 않아 기인한 것으로 추정되었다.
• 결과적으로 단일 파손 결합의 실현 가능성을 입증하였으며, 더 단순하고 통합적이며 확장 가능한 광학 장치로의 길을 열었다.