[論文レビュー] AlGaAs-On-Insulator Nonlinear Photonics

Minhao Pu, Luisa Ottaviano+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 36被引用数 108

ひとこと要約

この論文は、AlGaAs-on-insulatorを、周波数コンブと光パラメトリック発振を実現する高効率な統合非線形フォトニクスのためのプラットフォームとして示しており、記録的な低しきい値3 mWで光パラメトリック発振を達成し、Qファクターが100,000を超えるマイクロレゾネータで350 nmの周波数コンブを生成した。高度なプロセシングにより、従来の課題であった処理と有効な非線形性の問題を克服し、通信波長帯で効率的なKerr周波数コンブ生成を実現した。

ABSTRACT

The combination of nonlinear and integrated photonics has recently seen a surge with Kerr frequency comb generation in micro-resonators as the most significant achievement. Efficient nonlinear photonic chips have myriad applications including high speed optical signal processing, on-chip multi-wavelength lasers, metrology, molecular spectroscopy, and quantum information science. Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) exhibits very high material nonlinearity and low nonlinear loss when operated below half its bandgap energy. However, difficulties in device processing and low device effective nonlinearity made Kerr frequency comb generation elusive. Here, we demonstrate AlGaAs-on-insulator as a nonlinear platform at telecom wavelengths. Using newly developed fabrication processes, we show high-quality-factor (Q>100,000) micro-resonators with integrated bus waveguides in a planar circuit where optical parametric oscillation is achieved with a record low threshold power of 3 mW and a frequency comb spanning 350 nm is obtained. Our demonstration shows the huge potential of the AlGaAs-on-insulator platform in integrated nonlinear photonics.

研究の動機と目的

• AlGaAs-on-insulatorを用いた高効率な周波数コンブ生成を実現する高パフォーマンスで統合された非線形フォトニクスプラットフォームの開発。
• AlGaAsにおけるKerr周波数コンブ生成を妨げていたデバイスプロセッシングと低有効非線形性の課題を克服すること。
• 統合バス波ガイドを備えた高Qファクターのマイクロレゾネータを実現し、非線形相互作用を強化すること。
• 通信波長帯で低しきい値の光パラメトリック発振と広帯域周波数コンブの生成を達成すること。
• AlGaAs-on-insulatorを、光信号処理、計測、量子情報技術の応用分野において実用的であるプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 高い材料非線形性とバンドギャップエネルギーよりも半分未満の非線形損失を示すAlGaAs-on-insulator基板の使用。
• Q > 100,000の高品質ファクター（Qファクター）を有するマイクロレゾネータと統合バス波ガイドを実現するための新規プロセスの開発。
• マイクロレゾネータ内での効率的な結合と非線形相互作用を可能にする平面フォトニクス回路の設計。
• 既存の光通信システムとの互換性を確保するため、通信波長帯でデバイスを動作させること。
• ポンプレーザーを用いてKerr非線形性を励起し、パラメトリック発振と周波数コンブ形成を開始すること。
• スペクトル特性測定を用いて、パラメトリック発振のしきい値パワーとコンブ帯域幅を測定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AlGaAs-on-insulatorは、通信波長帯における非線形フォトニクスに適した高Qファクターのマイクロレゾネータを実現できるか？
• RQ2 AlGaAs-on-insulatorマイクロレゾネータで光パラメトリック発振を達成するために必要な最小ポンプパワーはどれくらいか？
• RQ3 このプラットフォームで350 nmを超える広帯域周波数コンブを低しきい値パワーで生成できるか？
• RQ4 有効非線形性とデバイス品質は、従来のAlGaAsベースのプラットフォームと比較してどの程度優れているか？
• RQ5 AlGaAs-on-insulatorプラットフォームは、光信号処理および量子技術分野における実用的応用をどの程度可能にするか？

主な発見

• AlGaAs-on-insulatorマイクロレゾネータで、記録的な低しきい値3 mWで光パラメトリック発振が達成された。
• 350 nmの帯域幅を持つ周波数コンブが生成され、広帯域と高いコherency（コherー）が実証された。
• マイクロレゾネータはQファクターが100,000を超えており、低伝播損失と高エネルギー閉じ込めを示した。
• 高い材料非線形性とバンドギャップエネルギーよりも半分未満の非線形損失のおかげで、効率的な非線形相互作用が可能となった。
• 平面回路設計に統合されたバス波ガイドにより、レゾネータへの安定的で効率的な結合が実現された。
• 本研究の結果により、AlGaAs-on-insulatorは、将来の統合非線形フォトニクスデバイスにとって極めて有望なプラットフォームであることが確立された。