Les microrésonateurs optiques présentant des facteurs de qualité élevés sont essentiels dans les circuits photoniques nécessitant un filtrage spectral fin ou un stockage résonant de la puissance optique. La photonique au silicium (Si) permet d'obtenir des circuits optoélectroniques très performants, mais les microrésonateurs planaires en Si présentent des facteurs de qualité plutôt faibles (Q < 105). En revanche, les résonateurs massifs atteignent des facteurs de qualité exceptionnellement élevés, Q > 107. Les guides d'ondes photoniques en silicium et les résonateurs massifs ont des tailles et des indices de réfraction très différents qui empêchent un couplage efficace. Nous démontrons une efficacité de couplage de la lumière allant jusqu'à 99 % pour des microsphères et des microdisques en silice, niobate de lithium et fluorure de calcium, d'un diamètre de 0,3 à 3,6 mm. Cette réalisation pourrait permettre l'intégration hétérogène de résonateurs massifs et de circuits photoniques en silicium, avec des applications potentielles dans les domaines de la détection, des communications et de l'information quantique.
Les microrésonateurs optiques offrent des fonctionnalités clés telles que le filtrage spectral ultra-fin, les lasers à haute pureté spectrale, la génération de peignes de fréquence à haute efficacité et le couplage optomécanique élevé. Les performances des résonateurs sont généralement évaluées par leur facteur de qualité, Q, défini comme l'énergie stockée dans le résonateur divisée par l'énergie dissipée par radian. Comme Q est inversement proportionnel à la perte de puissance fractionnelle par cycle optique, les principales mesures de performance s'améliorent avec l'augmentation de Q. Par exemple, la consommation d'énergie et le bruit de phase et d'intensité dans les sources optiques à base de résonateurs sont inversement proportionnels au carré de Q. Parallèlement, un Q élevé améliore la précision de la résolution de la longueur d'onde de résonance, ce qui est important pour les applications de détection et de stabilisation de fréquence.
La photonique au silicium (SI) offre un potentiel unique pour la production en grande série de circuits optoélectroniques et est considérée comme une technologie clé pour le développement d'applications émergentes dans les domaines de la détection et des communications. Cependant, les performances des circuits photoniques au silicium sont souvent limitées par les facteurs de qualité relativement faibles des résonateurs en anneau à base de silicium, généralement de l'ordre de 104 à 106. En outre, le Si présente certaines limites physiques intrinsèques qui entravent la mise en œuvre de fonctionnalités non linéaires et optoélectroniques avancées. La forte absorption à deux photons dans le proche infrarouge compromet les applications non linéaires, et la symétrie centrale du réseau de Si compromet l'efficacité des circuits optoélectroniques exploitant l'effet Pockels. D'autre part, les résonateurs optiques à mode de galerie de chuchotement (WGM) tels que les sphères et les disques dans différents matériaux offrent un large éventail de propriétés optiques remarquables et des facteurs Q ultra élevés pouvant atteindre 1011. Cependant, le couplage robuste entre les guides d'ondes planaires en Si et les résonateurs massifs à faible indice, par exemple la silice, n'est pas possible en raison du décalage d'indice.
Nous proposons et démontrons ici un nouveau type d'approche de couplage très polyvalente, qui permet le couplage entre des guides d'ondes Si intégrés et une large gamme de résonateurs WGM massifs de tailles (300 µm-3,6 mm de diamètre) et d'indices de réfraction (1,42-2,21) très différents. Le coupleur proposé, voir Fig. 1, est intégré de façon monolithique sur une plaquette de silicium sur isolant (SOI). Cette approche de couplage universelle exploite les guides d'ondes métamatériaux à réseau sub-longueur d'onde (SWG) pour façonner la distribution du champ optique et le vecteur d'onde des modes guidés.
Nous avons montré que les coupleurs à métamatériaux SWG offrent une flexibilité unique pour combiner une large gamme de microrésonateurs WGM avec des guides d'ondes Si, en atteignant des efficacités de couplage très élevées proches de 100% et des facteurs de qualité mesurés dépassant 107. Les coupleurs SWG étudiés dans ce travail démontrent une validation de concept d'une approche de couplage photonique intégrée universelle qui peut être mise en œuvre en utilisant la technologie photonique Si, ouvrant une nouvelle voie pour exploiter une large gamme de propriétés optiques améliorées par des résonances à Q ultra-élevé. L'approche présentée peut être facilement exploitée pour mettre en œuvre des dispositifs robustes combinant des résonateurs massifs haute performance et des circuits photoniques Si complexes, avec des perspectives prometteuses pour une large gamme d'applications, y compris la détection, l'optique non linéaire, la photonique micro-ondes et la photonique quantique.
Reference
Metamaterial engineered silicon photonic coupler for whispering gallery mode microsphere and disk resonators
Optica Vol. 8, Issue 12, pp. 1511-1514 (2021)
https://doi.org/10.1364/OPTICA.438395
Affiliations
D. Farnesi,1 S. Pelli,1 S. Soria,1 G. Nunzi Conti,1,* X. Le Roux,2 M. Montesinos Ballester,2 L. Vivien,2 P. Cheben,3,4 and C. Alonso-Ramos2
1Institute of Applied Physics “N. Carrara,” – Italian National Research Council (IFAC-CNR), I-50019 Sesto Fiorentino, Italy
2Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, Palaiseau 91120, France
3National Research Council Canada, 1200 Montreal Road, Bldg. M50, Ottawa, Ontario K1A 0R6, Canada
4Center for Research in Photonics, University of Ottawa, Ottawa, Ontario K1N 6N5, Canada
Figure : Vue schématique de la structure sub-longueur d'onde proposée pour coupler efficacement les guides d'ondes nanophotoniques en silicium et les résonateurs en mode galerie de chuchotement.
