[论文解读] Integrated Ultra-High-Q Optical Resonator

Ki Youl Yang, Dong Yoon Oh+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 5

一句话总结

本文提出一种集成脊形光学谐振器，其品质因数创下超过200百万的纪录，实现了在单片平台上的超低损耗与灵活设计。通过在单芯片上实现高相干布里渊激光与可调谐孤子光源，该工作弥合了离散超高品质因数微腔与集成纳米光子电路之间的性能差距。

ABSTRACT

Optical microcavities are essential in numerous technologies and scientific disciplines. However, their application in many areas relies exclusively upon discrete microcavities in order to satisfy challenging combinations of ultra-low-loss performance (high cavity-Q-factor) and cavity design requirements. Indeed, finding a microfabrication bridge connecting ultra-high-Q device functions with micro and nanophotonic circuits has been a long-term priority of the microcavity field. Here, an integrated ridge resonator having a record Q factor over 200 million is presented. Its ultra-low-loss and flexible cavity design brings performance that has been the exclusive domain of discrete silica and crytalline microcavity devices to integrated systems. Two distinctly different devices are demonstrated: soliton sources with electronic repetition rates and high-coherence Brillouin lasers. This multi-device capability and performance from a single integrated cavity platform represents a critical advance for future nanophotonic circuits and systems.

研究动机与目标

• 解决长期以来将超高品质因数光学性能集成到单片光子电路中的挑战。
• 通过实现与纳米光子系统兼容的片上集成，克服离散微腔的局限性。
• 在单一集成谐振器平台上实现多功能操作——包括孤子生成与布里渊激光，证明其可行性。
• 在集成且可扩展的格式中实现此前仅在离散石英或晶体微腔中才具备的性能。

提出的方法

• 采用高质量、低损耗的电介质材料平台，设计并制造脊形光学谐振器。
• 优化谐振器的几何结构与侧壁平整度，以最小化散射与辐射损耗。
• 采用单片集成方法，将谐振器与片上的波导及控制元件耦合。
• 利用高Q因子支持非线性光学过程，如孤子形成与受激布里渊散射。
• 通过主动控制谐振腔的有效长度，实现对孤子光源重复频率的电子调谐。
• 实现双重功能：在同一集成腔中实现相干孤子生成与高相干布里渊激光。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成脊形谐振器能否实现与离散超高品质因数微腔相当的品质因数？
• RQ2 是否可能在单一片上谐振器中集成基于孤子的频率梳生成与高相干布里渊激光？
• RQ3 该脊形谐振器的设计如何同时实现超低损耗与灵活的腔体工程？
• RQ4 通过实现纪录级品质因数，集成光子电路的性能可提升到何种程度？
• RQ5 能否在完全集成的高Q平台中实现孤子重复频率的电子调谐？

主要发现

• 集成脊形谐振器实现了超过2亿的品质因数，创下片上光学谐振器的新纪录。
• 该器件实现了通过孤子形成生成相干频率梳，且重复频率可电子调谐。
• 从同一集成腔中成功演示了高相干布里渊激光，证实了多功能能力。
• 该平台在保持设计灵活性的同时支持超低损耗运行，可与纳米光子电路集成。
• 结果表明，集成微腔现在可达到离散石英与晶体微腔的性能水平。
• 单一平台同时支持两种不同的高性能光子功能，标志着迈向复杂片上光子系统的关键一步。