[论文解读] Breaking the Loss Limitation of On-chip High-confinement Resonators

Xingchen Ji, F. A. S. Barbosa+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 54被引用 155

一句话总结

作者证明片上 Si3N4 高耦合/高约束的环形谐振器的表面粗糙度对损耗有上限可以被克服，实现超高品质因子（Q）达到 37 million–67 million，并指出材料吸收为基础极限（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.

研究动机与目标

• 激励并实现用于非线性光学与计量学的高耦合/高约束、低损耗的片上谐振器。
• 研究表面粗糙度是否是 Si3N4 环形谐振器中的主导损耗机制。
• 量化可实现的品质因子并确定材料吸收的基本极限。

提出的方法

• 制造宽度不同的 Si3N4 环形谐振器（2.5 μm 与 10 μm）以研究约束效应。
• 解决并降低表面粗糙度以抑制散射损耗。
• 测量谐振器的品质因子（Q）以提取损耗分量。
• 对比不同约束的谐振器以分离散射损耗和吸收损耗。
• 从两個具有不同约束水平的谐振器估算材料吸收限制的 Q。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面粗糙度对片上高耦合/高约束 Si3N4 环形谐振器损耗的影响是什么？
• RQ2 改善表面粗糙度是否能够同时实现 Si3N4 谐振器的高品质因子与高约束？
• RQ3 这些器件中的主导损耗机制（散射 vs 吸收）是什么，以及材料吸收带来哪些基本极限？
• RQ4 在硅氮化物平台上，亚微米和微米尺度的环形谐振器可实现的 Q 因子是多少？

主要发现

• 通过降低表面粗糙度的高耦合/高约束 Si3N4 环形谐振器的 Q 因子分别达到 37 million (2.5 μm 宽度) 和 67 million (10 μm 宽度)。
• 一个通过解决表面粗糙度而实现片上谐振器极高 Q 因子的系统路径被证明。
• 材料吸收限制的损耗被提取为 0.13 dB/m，透过对比具有不同约束的谐振器，这对应吸收限 Q 至少为 170 million。
• 该工作建立了一个芯片级平台，适用于超低功耗频率梳发生、高精度传感、激光稳定化以及旁带分辨的光机学。