Ultra-high-Q inverted silica microtoroid resonators monolithically integrated into a silicon photonics platform

Richter, Jens; Nezhad, Maziar Pourabdollah; Witzens, Jeremy

doi:10.18154/RWTH-2018-230467

Ultra-high-Q inverted silica microtoroid resonators monolithically integrated into a silicon photonics platform

Richter, Jens^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Jens Richter

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xxii, 181 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Witzens, Jeremy (Thesis advisor)^RWTH* ; Nezhad, Maziar Pourabdollah (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230467
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/749969/files/749969.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Integrierte Photonik (616710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
High-Quality Resonators (frei) ; Integrated Silicon Photonics (frei) ; Microfabrication (frei) ; Microtoroid (frei) ; Monolithic coupling (frei) ; Nonlinear Optics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Mikroresonatoren, welche durch die Minimierung der Oberflächenspannung eines geschmolzenen Siliziumdioxidfilms geformt werden, können einen außergewöhnlich hohen Qualitätsfaktor in der Größenordnung von bis zu 100 Millionen [1] und darüber erreichen. Qualitätsfaktoren in dieser Größenordnung ermöglichen durch nicht lineare Effekte die Erzeugung von Frequenzkämmen mit sehr niedrigen optischen Leistungsschwellen [2]. Im Bereich der integrierten Silizium-Photonik kann ein solcher high-Q Resonator somit als Frequenzkammquelle dienen. Ein solcher Frequenzkamm kann zum Beispiel für Telekommunikationsanwendungen eingesetzt werden. Bei diesem Einsatz werden individuelle optische Kammlinien durch zusätzliche Modulatoren moduliert [3-5] und ein Datensignal aufgeprägt. In der vorliegenden Arbeit wird über das Design, die Herstellung, und die optische Charakterisierung eines neuartigen mikrotoroidalen Siliziumdioxidresonators mit extrem hohen Gütefaktoren (high-Q), welcher monolithisch an einen on-chip Siliziumwellenleiter gekoppelt wird, berichtet. Um eine monolithische Wellenleiterkopplung zu ermöglichen, wird die herkömmliche toroidale Geometrie invertiert. Ein solcher invertierte Resonator wird durch Schmelzen einer Siliziumdioxidmembrane, unter der Zuhilfenahme eines CO2-Lasers, gebildet. Das Ziel dieser Konfiguration ist die Integration eines invertierten Mikrotoroiden mit einer voll funktionsfähigen Silizium-Photonik-Technologie-Plattform. Die aus der Literatur bekannten herkömmlichen SiO2-Mikrotoroide werden typischerweise mit einer optischen Faser extern gekoppelt. Um im Gegensatz eine monolithische Integration des Resonators mit einem Wellenleiter auf einem Chip zu erreichen, wurden zum Beispiel in anderen Arbeiten Siliziumdioxid-Wellenleiter [6] oder freischwebende Silizium-Wellenleiter verwendet. Im letzteren Fall wurde ein aufwendiges Herstellungsverfahren, basierend auf einer gestapelten Silicon-on-Insulator-(SOI) Plattform [7], genutzt. In dieser Arbeit soll eine Geometrie eingeführt werden, welche es erlaubt einen invertierten Mikrotoroiden mit Silizium-Wellenreitern zu koppeln und eine Integration mit existierender Silizium-Photonik (SiP) zu erreichen. Dies könnte zum Beispiel die monolithische Kombination und Integration von Mikrotoroiden mit Bauteilen wie elektrooptischen Modulatoren, Wellenlängenmultiplexern, Gitterkopplern und Fotodetektoren sein. Um dies zu erreichen, wird der Wellenleiter in der Siliziumschicht (Device Layer) eines SOI-Chips hergestellt. Der geometrisch invertierte Mikrotoroid wird in der vergrabenen Siliziumdioxidschicht (BOX) desselben Chips fabriziert. Auch wenn die invertierte Geometrie zwangsläufig zu einem geschwächten optischen Moden-Confinement führt, implizieren optische Simulationen, dass eine solche Geometrie in der Lage ist ähnlich hohe Qualitätsfaktoren, wie herkömmliche Mikrotoroide, zu erreichen [8]. Es ist jedoch entscheidend die optischen Siliziumsubstrat-Kopplungsverluste der Wellenleiter und die zu erwartenden optischen Krümmungsverluste des invertierten Mikrotoroiden, durch die Wahl der verwendeten Dicke der BOX-Schicht, zu optimieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass ein invertierter Siliziumdioxid-Mikrotoroid monolithisch an einen Silizium-Wellenleiter gekoppelt werden kann und vergleichsweise hohe Qualitätsfaktoren von einigen Millionen erreichen kann. Die Erzeugung eines Frequenzkamms ist in zukünftigen Arbeiten als Erweiterung dieser vielversprechenden „proof of principle“ Resultate angestrebt. [1] D. K. Armani et al., Nature, vol. 421, no. 6926, pp. 925-928, 2003.[2] T. J. Kippenberg et al., Science, vol. 332, no. 6029, pp. 555-559, 2011.[3] J. Witzens et al., Nature Photonics, vol. 4, no. 1, pp. 10-12, 2010.[4] J. Pfeifle et al., Nature Photonics, vol. 8, no. 5, pp. 375-380, 2014.[5] P. Marin-Palomo et al., Nature, vol. 546, no. 7657, pp. 274-279, 2017.[6] X. Zhang et al., Optics Express, vol. 21, no. 20, pp. 23592-23603, 2013.[7] J. Yao et al., IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., vol. 13, no. 2, pp. 202-208, 2007.[8] J. Richter et al., 2015 Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), pp. 1-3

Microresonators shaped by surface tension minimization of a melted silica film (microtoroids) are known for their extraordinarily high-quality factors on the order of a 100 million [1] and above, which enable the generation of frequency combs via nonlinear effects with very low optical power-thresholds [2]. In the field of integrated silicon photonics, a high-quality resonator can provide a frequency-comb source. This frequency-comb can be used for telecommunication applications or spectroscopic sensing. In a communication system, optical comb lines act as individual carriers modulated with help of additional modulators [3-5].In this work, we report on the design, fabrication and the optical characterization of a new type of microtoroid high-quality silica resonator, which is monolithically coupled to on-chip silicon nanowire-waveguides. In order to enable monolithic waveguide coupling, the microtoroid geometry is inverted such that the resonator is formed by thermal reflow at the circumference of a hole etched in a suspended silica membrane. This configuration is shown to be conducive to integration with a fully functional silicon photonics technology platform. The initially proposed silica microtoroids are typically coupled to an external tapered fiber. Existing integration schemes of microtoroid type structures with on-chip waveguides have either relied on silica waveguides [6] or suspended silicon waveguides fabricated in stacked silicon-on-insulator (SOI) device layers with a rather complicated fabrication process [7]. Here, we introduce a device geometry allowing straight-forward coupling with silicon nanowire-waveguides and integration with existing silicon photonics (SiP) technology. This enables monolithic integration of microtoroids with devices such as electro-optic modulators, wavelength multiplexers, grating couplers or photodetectors. The central concept consists in combining a silicon waveguide fabricated in the device layer of an SOI-chip with an inverted version of a microtoroid fabricated by reflowing the buried oxide (BOX) of the same chip. Even though the inverted geometry results in weakened confinement, simulations indicate that such a structure is capable of achieving comparably high Q-factors as conventionally designed microtoroids [8]. A balance has, however, to be found in choosing the thickness of the BOX layer by trading off Si waveguide substrate coupling losses against microtoroid bending losses. This work shows that the proposed inverted silica-based microtoroids can be coupled monolithically to a silicon waveguide and shows comparatively high-quality factors on the order of a few million. The generation of a frequency comb with these devices is targeted in future work as an extension of these promising proof of principle results. [1] D. K. Armani et al., Nature, vol. 421, no. 6926, pp. 925-928, 2003.[2] T. J. Kippenberg et al., Science, vol. 332, no. 6029, pp. 555-559, 2011.[3] J. Witzens et al., Nature Photonics, vol. 4, no. 1, pp. 10-12, 2010.[4] J. Pfeifle et al., Nature Photonics, vol. 8, no. 5, pp. 375-380, 2014.[5] P. Marin-Palomo et al., Nature, vol. 546, no. 7657, pp. 274-279, 2017.[6] X. Zhang et al., Optics Express, vol. 21, no. 20, pp. 23592-23603, 2013.[7] J. Yao et al., IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., vol. 13, no. 2, pp. 202-208, 2007.[8] J. Richter et al., 2015 Opto-Electronics and Communications Conference (OECC), pp. 1-3

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