Ultra-compact titanium dioxide micro-ring resonators with sub-10-μm radius for on-chip photonics
Meicheng Fu, Yi Zheng, Gaoyuan Li, Wenjun Yi, Junli Qi, Shaojie Yin, Xiujian Li, Xiaowei Guan
Abstract
Microring resonators (MRRs) with ultracompact footprints are preferred for enhancing the light-matter interactions to benefit various applications. Here, ultracompact titanium dioxide ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m1"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>TiO</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) MRRs with sub-10-μm radii are experimentally demonstrated. Thanks to the large refractive index of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m2"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>TiO</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , the quality factors up to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m3"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">∼</mml:mo> <mml:mn>7.9</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m4"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">∼</mml:mo> <mml:mn>4.4</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> are achieved for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m5"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>TiO</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> MRRs with radii of 10 μm and 6 μm, respectively, which result in large nonlinear power enhancement factors ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m6"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">></mml:mo> <mml:mn>113</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> ) and large Purcell factors ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m7"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">></mml:mo> <mml:mn>56</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> ). The four-wave mixing (FWM) measurements indicate that, compared to the large MRR, the FWM conversion efficiency of the ultracompact <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m8"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>TiO</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> MRRs can be greatly improved (e.g., <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m9"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">−</mml:mo> <mml:mn>25</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>dB</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> versus <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m10"> <mml:mrow> <mml:mo form="prefix">−</mml:mo> <mml:mn>31</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>dB</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> ), a harbinger of significant superiorities. Demonstrations in this work provide more arguments for the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m11"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>TiO</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> waveguides as a promising platform for various on-chip photonic devices.