[论文解读] Interferometric cavity ring-down technique for ultra-high Q-factor microresonators

Stefano Biasi, Riccardo Franchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出一种干涉式腔体衰荡（CRD）技术，用于在背向散射引起的模式耦合背景下测量超高品质因子微谐振器的极限Q值。通过以受控相位差相干激发顺时针和逆时针模式，使共振双峰合并为单一洛伦兹响应，从而实现标准指数衰减分析，即使在因表面粗糙度导致非厄米耦合的情况下，也能提取光子寿命并获得本征Q值。

ABSTRACT

Microresonators (MRs) are key components in integrated optics. As a result, the estimation of their energy storage capacity as measured by the quality factor (Q) is crucial. However, in MR with high/ultra-high Q, the surface-wall roughness dominates the intrinsic Q and generates a coupling between counter-propagating modes. This splits the usual sharp single resonance and makes difficult the use of classical methods to assess Q. Here, we theoretically show that an interferometric excitation can be exploited in a Cavity Ring-Down (CRD) method to measure the ultimate Q of a MR. In fact, under suitable conditions, the resonant doublet merges into a single Lorentzian and the time dynamics of the MR assumes the usual behavior of a single-mode resonator unaffected by backscattering. This allows obtaining a typical exponential decay in the charging and discharging time of the MR, and thus, estimating its ultimate Q by measuring the photon lifetime.

研究动机与目标

• 解决在表面粗糙度导致背向散射并使共振分裂为双峰的超高品质因子微谐振器中准确测量极限Q值的挑战。
• 克服经典Q值估算方法的局限性，这些方法因高Q系统中非洛伦兹线型和振荡衰减而失效。
• 证明干涉激励可恢复单模指数衰减动力学，从而实现可靠的光子寿命测量。
• 验证该方法在厄米耦合与非厄米耦合两种情形下的有效性，以反映实际制造中的非理想性。
• 将该方法推广至环形谐振器之外的其他腔体几何结构，如光子晶体和体谐振器。

提出的方法

• 该方法采用时域耦合模理论，对微谐振器中顺时针（CW）与逆时针（CCW）模式与波导的相互作用进行建模。
• 通过从左右输入端口施加具有受控相位差φ的相干干涉激励，以调控系统的响应。
• 利用格林函数计算系统的响应，求解在矩形脉冲激励下场振幅的耦合微分方程。
• 通过格林函数与输入脉冲的卷积运算推导输出场，实现对衰荡行为的时间域分析。
• 其关键创新在于调节输入场的相位与振幅，使双峰合并为单一洛伦兹峰，从而恢复指数衰减行为。
• 从充电与放电阶段的衰减包络中提取光子寿命τph，直接获得极限Q值。

实验结果

研究问题

• RQ1 干涉激励能否抑制超高品质因子微谐振器中由背向散射引起的模式分裂，以恢复单模衰荡响应？
• RQ2 在何种条件下，由反向传播模式形成的共振双峰会坍缩为单一洛伦兹峰？
• RQ3 干涉式CRD方法是否能在因表面粗糙度导致的非厄米耦合存在下，实现对极限Q值的精确测量？
• RQ4 该方法是否适用于保守性（厄米）与耗散性（非厄米）耦合两种情形？
• RQ5 该技术是否可推广至环形谐振器以外的其他微谐振器几何结构？

主要发现

• 干涉激励成功将共振双峰合并为单一洛伦兹响应，使标准腔体衰荡分析成为可能。
• 时域响应在充电与放电阶段均表现出清晰的指数衰减，符合未受背向散射影响的单模谐振器特征。
• 光子寿命τph可从衰减包络中准确测量，从而直接估算极限Q值。
• 该方法在厄米与非厄米耦合两种情形下均有效，表现出对实际制造引起的非理想性的鲁棒性。
• 该技术在理论上可推广至其他腔体几何结构，包括球形、体形及光子晶体微谐振器。
• 该方法无需高光谱分辨率即可实现Q值测量，克服了超高品质因子系统中的关键限制。