[論文レビュー] An integrated cryogenic optical modulator

Felix Eltes, Gerardo Villarreal Garcia+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、室温から4 Kまで電気光学的変調を可能にするポケルス効果を利用した、バriumチタン酸化物（BaTiO3）に基づく統合低温光変調器を提案する。30 GHz帯域幅、20 Gbpsデータ変調、熱的チューニング比10^9倍の高出力効率を達成し、スケーラブルな量子計算および低温計算システムの実現を可能にする。

ABSTRACT

Integrated electrical and photonic circuits (PIC) operating at cryogenic temperatures are fundamental building blocks required to achieve scalable quantum computing, and cryogenic computing technologies. Optical interconnects offer better performance and thermal insulation than electrical wires and are imperative for true quantum communication. Silicon PICs have matured for room temperature applications but their cryogenic performance is limited by the absence of efficient low temperature electro-optic (EO) modulation. While detectors and lasers perform better at low temperature, cryogenic optical switching remains an unsolved challenge. Here we demonstrate EO switching and modulation from room temperature down to 4 K by using the Pockels effect in integrated barium titanate (BaTiO3)-based devices. We report the nonlinear optical (NLO) properties of BaTiO3 in a temperature range which has previously not been explored, showing an effective Pockels coefficient of 200 pm/V at 4 K. We demonstrate the largest EO bandwidth (30 GHz) of any cryogenic switch to date, ultra-low-power tuning which is 10^9 times more efficient than thermal tuning, and high-speed data modulation at 20 Gbps. Our results demonstrate a missing component for cryogenic PICs. It removes major roadblocks for the realisation of novel cryogenic-compatible systems in the field of quantum computing and supercomputing, and for interfacing those systems with the real world at room-temperature.

研究の動機と目的

• 低温光集積回路（PIC）向けに効率的で統合された電気光学的変調器が不足している問題に対処すること。
• 室温から4 Kまで極めて高速かつ低消費電力の光スイッチングを実現する挑戦に取り組むこと。
• スケーラブルな量子計算および低温スーパーコンピューティングシステム向けに実用的な光インターフェースを実現すること。
• バリウムチタン酸化物（BaTiO3）が低温環境下でも非線形光学材料として有効であることを実証すること。
• 高帯域幅・低損失光リンクを介して室温側システムと低温量子プロセッサを接続するソリューションを提供すること。

提案手法

• 電圧制御による位相変調を実現するため、統合型バリウムチタン酸化物（BaTiO3）波導におけるポケルス効果を活用した。
• 効率的な電気光学的チューニングを実現するため、TiN電極を備えた完全に統合された光回路を設計・プロトタイピングした。
• 300 Kから4 Kまでの温度範囲で光学的応答を測定するために、低温試験装置を用いた。
• 温度依存の有効ポケルス係数を測定し、4 Kで200 pm/Vの値を同定した。
• 高周波電気信号および光信号解析を用いて、最大30 GHzまでの帯域幅を特性評価した。
• 電気光学的チューニングと従来の熱的チューニング手法を比較することで、消費電力効率を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリウムチタン酸化物（BaTiO3）は、4 Kまでの低温環境下でも効率的な電気光学的変調を可能にするか？
• RQ2 ポケルス効果を用いた統合型低温光変調器の実現可能な帯域幅およびエネルギー効率はどの程度か？
• RQ3 低温領域におけるBaTiO3の有効ポケルス係数は温度にどのように依存するか？
• RQ4 20 Gbpsのデータレートを達成でき、量子計算用インターフェースに十分な性能を発揮できるか？
• RQ5 低温環境下における電気光学的チューニングのエネルギー効率は、熱的チューニングに比べてどの程度優れているか？

主な発見

• BaTiO3の有効ポケルス係数は4 Kで200 pm/Vに達し、低温環境下でも顕著な電気光学的応答を示した。
• 本デバイスは、低温動作下で記録的な30 GHzの電気光学的帯域幅を達成し、これまで報告された中で最高の値である。
• 変調器は20 Gbpsのデータ変調を可能にし、量子計算システムにおける高速インターフェースに適している。
• 電気光学的チューニングは熱的チューニングに比べて10^9倍の高出力効率を示し、消費電力の大幅な低減が可能である。
• 統合設計は、300 Kから4 Kまでの全温度範囲で高い性能を維持した。
• 本結果により、BaTiO3が低温光集積回路における実用的で高性能な材料であることが確立された。