[论文解读] Waveguide couplers for ferroelectric optical resonators

Ivan S. Grudinin, Alexander Kozhanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文展示了利用与同种铁电材料相同的钛扩散波导，实现对铌酸锂中高Q值 whispering gallery mode (WGM) 腔体的波导耦合。该方法实现了对TM偏振WGM模式的耦合，Q值超过六千万，耦合效率达11%，从而在无需使用高折射率透镜的情况下，实现了更简单、更集成化且可扩展的光学器件架构。

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.

研究动机与目标

• 开发一种更简单、可集成的方法，用于耦合到高Q值铁电WGM腔体，而无需依赖笨重的棱镜耦合装置。
• 解决在高折射率铁电材料（如铌酸锂）中进行倏逝波耦合的挑战，这些材料的折射率>2，与标准光纤或聚合物波导不兼容。
• 证明使用与腔体相同材料（LiNbO3）的波导耦合，可实现高效的模式匹配与场重叠。
• 通过用单片波导集成替代复杂的棱镜基耦合，实现WGM腔体在片上光子电路中的实用集成。
• 探索使用钛扩散波导实现横向侧边耦合至Z切WGM腔体的可行性，以支持电子调谐和非线性光学应用。

提出的方法

• 采用光刻剥离工艺和在氧气中1000 °C下10小时的退火处理，在Y切X切LiNbO3衬底上制备了宽6 µm、厚100 nm的钛扩散波导，以获得足够的折射率对比度。
• 采用侧边耦合结构，将波导与直径为3 mm、边缘曲率半径为25 µm的Z切LiNbO3 WGM腔体的边缘平行对准。
• 通过抛光的光纤端面将波导与单模Corning SMF-28光纤耦合，实现对腔体WGM的横向倏逝波耦合。
• 通过测量透射谱观察到对应于特定WGM耦合的共振深谷，并采用洛伦兹拟合提取Q值和耦合效率。
• 研究了偏振依赖的耦合特性：TE波导模式耦合至TM WGM（径向E场），而TM波导模式耦合至TE WGM（轴向E场）。
• 优化了模式匹配与场重叠，但因折射率失配和与光纤的模式场重叠较差，导致传输损耗较高。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用与WGM腔体相同铁电材料制备的钛扩散波导，实现高效的倏逝波耦合？
• RQ2 在铌酸锂中采用这种单片波导耦合方法，可实现的Q值和耦合效率分别是多少？
• RQ3 波导模式的偏振态如何影响在Z切腔体中对不同WGM（TE与TM）的耦合效率？
• RQ4 该方法能否替代传统棱镜耦合用于高折射率铁电腔体？其在简洁性与集成性方面的权衡如何？
• RQ5 当前波导设计的主要限制是什么？如何通过改进波导几何结构加以缓解？

主要发现

• 当腔体边缘与波导间距在1 µm以内时，观察到对多个TM WGM的耦合，证实了倏逝场相互作用的有效性。
• 测得一个高Q值TM WGM，其Q值超过六千万，表明该平台具备实现超高Q因子运行的潜力。
• 最高Q值模式的耦合效率达到11%，表明场重叠良好且模式匹配有效。
• TE波导模式的透射率约为10%，受限于较差的模式场重叠和与光纤的折射率失配。
• TM波导模式的透射率仅为约1%，归因于因偏振失配导致对TE平板模的耦合效率低下。
• 结果验证了在铁电材料中实现单片波导耦合的可行性，为开发更简单、更集成化且可扩展的光子器件提供了新路径。