We report a tuning method for ultrahigh-quality factor toroidal optical microcavities capable of rapid modulation and resonance position control over multiple decades. A free-space laser is focused onto the resonator's silicon support pillar, rapidly heating the mode-containing silica. Microcavity photothermal response is spatially mapped. Resonance shift varies inversely with pillar diameter, reaching 1.5 × 105 fm/mW at 2 μm diameter, allowing switching with 1 μW control power. Larger pillar resonators can be modulated at high speeds (>4 kHz). Heat flow simulations accurately model observed shifts. This versatile approach fulfills an outstanding need for fast, flexible control over toroid resonances.

1.
M.
Tomes
,
K. J.
Vahala
, and
T.
Carmon
,
Opt. Express
17
,
19160
(
2009
).
2.
I. S.
Grudinin
,
H.
Lee
,
O.
Painter
, and
K. J.
Vahala
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
083901
(
2010
).
3.
T.
Aoki
,
B.
Dayan
,
E.
Wilcut
,
W. P.
Bowen
,
A. S.
Parkins
,
T. J.
Kippenberg
,
K. J.
Vahala
, and
H. J.
Kimble
,
Nature
443
,
671
(
2006
).
4.
B. B.
Li
,
Y. F.
Xiao
,
C. L.
Zou
,
X. F.
Jiang
,
Y. C.
Liu
,
F. W.
Sun
,
Y.
Li
, and
Q. H.
Gong
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
021108
(
2012
).
5.
A.
Harker
,
S.
Mehrabani
, and
A. M.
Armani
,
Opt. Lett.
38
,
3422
(
2013
).
6.
A. A.
Savchenkov
,
W.
Liang
,
A. B.
Matsko
,
V. S.
Ilchenko
,
D.
Seidel
, and
L.
Maleki
,
Opt. Lett.
34
,
1318
(
2009
).
7.
M.
Baaske
and
F.
Vollmer
,
Chem. Phys. Chem.
13
,
427
(
2012
).
8.
A. L.
Washburn
,
L. C.
Gunn
, and
R. C.
Bailey
,
Anal. Chem.
81
,
9499
(
2009
).
9.
V. R.
Dantham
,
S.
Holler
,
C.
Barbre
,
D.
Keng
,
V.
Kolchenko
, and
S.
Arnold
,
Nano Lett.
13
,
3347
(
2013
).
10.
C. E.
Soteropulos
,
K. M.
Zurick
,
M. T.
Bernards
, and
H. K.
Hunt
,
Langmuir
28
,
15743
(
2012
).
11.
J. G.
Zhu
,
S. K.
Ozdemir
,
L.
He
,
D. R.
Chen
, and
L.
Yang
,
Opt. Express
19
,
16195
(
2011
).
12.
J. D.
Swaim
,
J.
Knittel
, and
W. P.
Bowen
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
183106
(
2013
).
13.
D. K.
Armani
,
T. J.
Kippenberg
,
S. M.
Spillane
, and
K. J.
Vahala
,
Nature
421
,
925
(
2003
).
14.
T. J.
Kippenberg
,
S. M.
Spillane
, and
K. J.
Vahala
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
083904
(
2004
).
15.
E.
Verhagen
,
S.
Deleglise
,
S.
Weis
,
A.
Schliesser
, and
T. J.
Kippenberg
,
Nature
482
,
63
(
2012
).
16.
B.
Min
,
S.
Kim
,
K.
Okamoto
,
L.
Yang
,
A.
Scherer
,
H.
Atwater
, and
K.
Vahala
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
191124
(
2006
).
17.
A. M.
Armani
,
R. P.
Kulkarni
,
S. E.
Fraser
,
R. C.
Flagan
, and
K. J.
Vahala
,
Science
317
,
783
(
2007
).
18.
T.
Lu
,
H.
Lee
,
T.
Chen
,
S.
Herchak
,
J. H.
Kim
,
S. E.
Fraser
,
R. C.
Flagan
, and
K.
Vahala
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
108
,
5976
(
2011
).
19.
T. J.
Kippenberg
,
S. M.
Spillane
, and
K. J.
Vahala
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
6113
(
2004
).
20.
L.
Shao
,
X.-F.
Jiang
,
X.-C.
Yu
,
B.-B.
Li
,
W. R.
Clements
,
F.
Vollmer
,
W.
Wang
,
Y.-F.
Xiao
, and
Q.
Gong
,
Adv. Mater.
25
(39),
5616
5620
(
2013
).
21.
M. I.
Cheema
,
S.
Mehrabani
,
A. A.
Hayat
,
Y. A.
Peter
,
A. M.
Armani
, and
A. G.
Kirk
,
Opt. Express
20
,
9090
(
2012
).
22.
L. N.
He
,
K.
Ozdemir
,
J. G.
Zhu
,
W.
Kim
, and
L.
Yang
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
428
(
2011
).
23.
H.
Lee
,
T.
Chen
,
J.
Li
,
K. Y.
Yang
,
S.
Jeon
,
O.
Painter
, and
K. J.
Vahala
,
Nature Photon.
6
,
369
(
2012
).
24.
M.
Hossein-Zadeh
and
K. J.
Vahala
,
Opt. Express
15
,
166
(
2007
).
25.
J.
Pan
,
Y.
Huo
,
K.
Yamanaka
,
S.
Sandhu
,
L.
Scaccabarozzi
,
R.
Timp
,
M. L.
Povinelli
,
S. H.
Fan
,
M. M.
Fejer
, and
J. S.
Harris
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
103114
(
2008
).
26.
B.
Peng
,
S. K.
Ozdemir
,
J. G.
Zhu
, and
L.
Yang
,
Opt. Lett.
37
,
3435
(
2012
).
27.
R.
Henze
,
C.
Pyrlik
,
A.
Thies
,
J. M.
Ward
,
A.
Wicht
, and
O.
Benson
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
041104
(
2013
).
28.
A. A.
Savchenkov
,
V. S.
Ilchenko
,
T.
Handley
, and
L.
Maleki
,
Opt. Lett.
28
,
649
(
2003
).
29.
S. M.
Spillane
,
T. J.
Kippenberg
,
K. J.
Vahala
,
K. W.
Goh
,
E.
Wilcut
, and
H. J.
Kimble
,
Phys. Rev. A
71
,
013817
(
2005
).
30.
J.
Topolancik
and
F.
Vollmer
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
184103
(
2006
).
31.
H. C.
Tapalian
,
J. P.
Laine
, and
P. A.
Lane
,
IEEE Photon. Technol. Lett.
14
,
1118
(
2002
).
32.
D.
Armani
,
B.
Min
,
A.
Martin
, and
K. J.
Vahala
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5439
(
2004
).
33.
J. G.
Zhu
,
S. K.
Ozdemir
,
L. N.
He
, and
L.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
171101
(
2011
).
34.
J. B.
Jager
,
V.
Calvo
,
E.
Delamadeleine
,
E.
Hadji
,
P.
Noe
,
T.
Ricart
,
D.
Bucci
, and
A.
Morand
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
181123
(
2011
).
35.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4833539 for details about fabrication, simulations, reproducibility, and stability.
36.
V. S.
Il'chenko
and
M. L.
Gorodetskii
,
Laser Phys.
2
,
1004
(
1992
).
37.
T.
Carmon
,
L.
Yang
, and
K. J.
Vahala
,
Opt. Express
12
,
4742
(
2004
).
38.
D. B.
Leviton
and
B. J.
Frey
,
Proc. SPIE
6273
,
62732K
(
2006
).
39.
Q. L.
Ma
,
T.
Rossmann
, and
Z. X.
Guo
,
Meas. Sci. Technol.
21
,
025310
(
2010
).
40.
J. H.
Chow
,
M. A.
Taylor
,
T. T. Y.
Lam
,
J.
Knittel
,
J. D.
Sawtell-Rickson
,
D. A.
Shaddock
,
M. B.
Gray
,
D. E.
McClelland
, and
W. P.
Bowen
,
Opt. Express
20
,
12622
(
2012
).
41.
J. E.
Curtis
,
B. A.
Koss
, and
D. G.
Grier
,
Opt. Commun.
207
,
169
(
2002
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.