Projeto do chip

O projeto do chip para geração de segundo-harmônico deve levar em consideração os diferentes fatores [71]:

• Primeiro, a cavidade deve ser compacta e suportar ambos os modos intera- gentes em suas respectivas frequências. Isto é, a largura do guia de onda do anel deve ser grande o suficiente para suportar o modo de ordem superior específico. Além disso, a geometria do ressoador deve garantir o acordo de fase (n1=n2).

• Segundo, o fator de qualidade Q é um parâmetro importante no controle de algumas propriedades: a largura de banda de conversão de modos é pro- porcional à 1/max(Q1,Q2), onde Q1 e Q2são os fatores de qualidade do anel

para o modo de bombeio e do segundo-harmônico, respectivamente; a taxa de conversão é proporcional à 1/(Q2

1Q2); a sensibilidade à perturbações na

estrutura é determinada por min(Q1,Q2). Portanto, é importante ter um con-

trole sobre Q1 e Q2 no desenho da cavidade independentemente, e o caso

ideal seria obter Q1 = Q2, para aumentar a eficiência para uma dada largura

de banda. O fator de qualidade de ambos os modos pode ser mais facilmente controlado adicionando uma segunda porta de saída ao anel, a porta de va- zamento [70].

• Terceiro, o adequado projeto das portas de entrada e saída nos guias de onda garantem o controle da força de acoplamento sobre ambos os modos. Dessa forma, podemos projetar um sistema com acoplamento crítico para o feixe de bombeio, máxima potência dentro da cavidade para ω1, e um acoplamento

mais forte para o modo gerado ω2, minimizando o efeito das perdas sobre o

A Figura2.9mostra a representação esquemática do projeto e a foto do dispo- sitivo fabricado. A altura do guia de onda é de 730 nm. Para maximizar o acordo de fase de entrada, entre o guia de onda e o anel, fizemos com que a largura do guia de onda e do anel fossem a mesma. Dessa forma, o modo fundamental em 1560 nm injetado pelo laser no guia de onda é acoplado ao interior do ressoador.

1 ω ω1 2 ω R 1 κ 2 κ a) b)

Figura 2.9: Projeto do chip para a geração de SH. (a) Representação es- quemática, (b) foto do chip fabricado. Os pads observado são as bases de contato das pontas de prova para o controle dos aquecedores integrados.

A força de acoplamento κj depende da geometria do guia de onda, e do gap. O

raio do anel de 114 µm é grande o suficiente para reduzir as perdas de propagação devido à curvatura. Para a banda de telecom, o acoplamento crítico é estabelecido com um gap da ordem de 600 nm. Podemos modificar a largura de banda de acoplamento alterando a geometria do guia de onda [1]. A largura do guia de

onda do ressoador para gerar o SH no modo TM20 é de aproximadamente w1 ≈

1,2 µm, com o feixe de bombeio no modo fundamental, e polarização TE.

Nosso principal propósito na geração de segundo-harmônico é o estudo das propriedades do ruído do campo gerado. Mais especificamente, estamos interes-

sados em medir uma redução no ruído da quadratura de amplitude do campo inferior ao limite quântico padrão. Sendo assim, queremos minimizar a influência do ruído de vácuo sobre o ruído do campo gerado, e para isso, devemos estabelecer um acoplamento forte de saída para o segundo-harmônico. Portanto, a distância da porta de vazamento ao anel deve ser inferior a 600 nm. O problema em dimi- nuir o segundo gap é que podemos forçar a saída do campo de bombeio do interior do anel, reduzindo o fator de qualidade para o feixe de bombeio. Uma boa estraté- gia é forçar o desacordo de fase entre o modo de bombeio no anel para o modo de mesmo comprimento de onda na porta de vazamento, reduzindo o acoplamento entre os dois guias. Isso pode ser feito estreitando a largura do guia de vazamento w2.

Em princípio, é sempre possível utilizar o mesmo guia de onda de entrada para extrair o campo de segundo-harmônico. Nessa situação, teríamos um dispositivo com apenas um acoplamento, sem o guia de onda extra do outro lado do anel. Porém, para comprimentos de onda menores, a taxa de decaimento da onda eva- nescente é mais rápida do que para comprimentos de onda maiores, e teríamos um fator de qualidade carregado maior para o modo ω2, aumentando a influência

do vácuo sobre o modo gerado. Portanto, é interessante haver uma segunda porta de extração, pois assim podemos controlar a força de acoplamento para o modo gerado.

O acoplamento de saída do modo ω2 acontece preferencialmente com a porta

de vazamento, que pode ser otimizada para o comprimento de onda do segundo- harmônico. Porém, isso introduz um problema, porque agora devemos evitar o vazamento do modo de bombeio. Por ser o modo fundamental, independente- mente da geometria do guia de onda, sempre haverá um vazamento. No entanto, podemos estabelecer um desacordo de fase entre os dois guias de onda, reduzindo

0 0.5 1 1.5 m] µ Largura [ 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 ] -1 m µ π Vetor de onda [2 00 TM 10 TM 20 TM a) 4 − −2 0 2 4 Dessintonia [pm] 0.2 0.4 0.6 0.8 1 o normalizada a~ Transmiss gap 150 nm 200 nm b)

Figura 2.10: Acordo de fase do acoplamento de saída pela porta de va-

zamento. (a) Conversão do modo TM20 para o fundamental

TM00. A largura da porta de vazamento deve ser de 300 nm.

(b) Ressonâncias em 1560 nm para dois gaps da porta de va- zamento, de 150 nm e 200 nm.

o acoplamento.

A largura do guia de onda da porta de vazamento foi de 300 nm. Para este

tamanho, o modo de segundo-harmônico em TM20 é convertido no modo fun-

damental na mesma polarização, como pode ser visto na Figura2.10 (a). O pro- cesso de conversão de modos é baseado na escolha da geometria dos guias de onda, de forma a casar os índices de refração, ou vetor de onda, dos dois mo- dos [72,73,74,75,76]. Os pontos em rosa representam a dispersão do modo TM20

em 780 nm. Para a geometria do ressoador (w = 1,2 µm), o vetor de onda do modo é k = 2,32 [2πµm−1_{]. No mesmo comprimento de onda e polarização, o modo fun-}

damental irá reproduzir o mesmo valor no guia de onda com largura de 300 nm. Por sua vez, a diferença no vetor de onda do modo de bombeio no ressoador para a porta de vazamento é de |∆k|/k ≈ 14%. Portanto, esperamos que haja um acoplamento bem fraco do modo fundamental no anel em 1560 nm para o segundo

guia de onda extra, permitindo uma proximidade do guia de vazamento inferior à 600 nm. A Figura2.10(b) mostra as ressonâncias do anel para dois diferentes gaps da porta de vazamento, de 150 e 200 nm, cujos fatores de qualidade são de 1×106_e

1,6×106_{, respectivamente.}