[論文レビュー] Chip-Scale Continuously Tunable Optical Orbital Angular Momentum Generator

Jie Sun, Ami Yaacobi+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、1つの電気入力で整数および非整数の両方の自由に可変な光学的角運動量（OAM）状態を生成する、チップスケールのシリコンフォトニクス集積回路を提示する。非共鳴的で円形の波ガイドループに、連続的に調整可能な熱光起効果位相シフターを用いることで、-4 から +4 まで、波長に依存しない連続的なOAMチューニングが実現され、π未満の位相分解能を達成した。これにより、通信、量子光学、光操作の分野におけるバーチャルビーム位相構造の動的制御が可能になった。

ABSTRACT

Light carrying orbital angular momentum (OAM) has potential to impact a wide variety of applications ranging from optical communications to quantum information and optical forces for the excitation and manipulation of atoms, molecules, and micro-particles. The unique advantage of utilizing OAM in these applications relies, to a large extent, on the use of multiple different OAM states. Therefore, it is desirable to have a device that is able to gen- erate light with freely adjustable OAM states in an integrated form for large- scale integration. We propose and demonstrate a compact silicon photonic integrated circuit to generate a free-space optical beam with OAM state con- tinuously tuned from a single electrical input signal, realizing both integer and non-integer OAM states. The compactness and flexibility of the device and its compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) pro- cessing hold promise for integration with other silicon photonic components for wide-ranging applications.

研究の動機と目的

• スケーラブルなフォトニクスシステムに適した、自由に可変なOAM状態を生成可能なコンactで統合されたフォトニックデバイスの開発。
• 従来のデバイスが離散的または共鳴的OAM状態しか生成できなかったという制限を克服し、整数および非整数l値の間で連続的なチューニングを可能にする。
• 非共鳴的で能動的に制御可能な位相シフターを用いて、波長に依存しないOAMチューニングを実現し、広帯域動作を可能にする。
• OAM生成を他のシリコンフォトニクスコンポONENTと大規模統合可能にし、光通信、量子情報、光操作の分野への応用を実現する。
• 高い位相精度と高速応答を備えた、1つの電気制御信号による動的かつリアルタイムなOAM状態再構成を実現する。

提案手法

• 本デバイスは、N個のユニットセルを有する円形シリコンバス波ガイドを採用し、各ユニットセルには方向性 coupler、熱光起効果で可変位相を制御できる位相シフター、およびグレーティングに基づく光放射器が含まれる。
• 可変ギャップ方向性 coupler を用いて各ユニットセルへのパワーを効率的に分配することで、ループ全体にわたる均一なパワー分布を実現する。
• 波ガイド内に埋め込まれた抵抗性ヒーターが、熱光起効果により局所的な可変位相シフトを提供し、隣接するユニットセル間の相対位相を連続的に調整可能となる。
• 位相シフトΔφはヒーター出力で制御され、OAM状態lは関係式 l = Δφ / (2π) × N に従って決定される。ここでNはユニットセル数である。
• グレーティング放射器（3.0 μm × 2.8 μm）により、高効率で広帯域（＞200 nm）の自由空間へのOAMビーム出射が実現された。
• 非共鳴設計によりモードロック制約が回避され、連続的な位相制御により非整数OAM状態の生成が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパactsで統合されたフォトニック回路が、整数および非整数l値の両方で連続的に可変なOAM状態を生成できるか？
• RQ2 1つの電気制御信号を用いて、波長に依存しないOAMチューニングを実現できるか？
• RQ3 ヒーターがオフまたは2.8 mWに設定された状態でも、複数のCバンド波長で位相精度とOAM状態制御を維持しながら広帯域動作を可能にするか？
• RQ4 サブ-πの位相分解能と高速応答を備えた、リアルタイムでのOAM状態の動的再構成が可能か？
• RQ5 他のシリコンフォトニクスコンポonentと統合可能で、通信および量子技術分野向けにチップスケールOAMシステムを実現できるか？

主な発見

• ヒーター出力を3.5 mWから10 mWに変化させることで、OAM状態をl = -4 から l = +4 まで連続的にチューニングした。測定された熱光起効果効率は12.2 mW/π位相シフトであった。
• 測定されたOAM状態はシミュレーションとよく一致しており、シリコンフォトニクス製造プロセスの高い位相制御精度と耐障害性を裏付けた。
• 非整数OAM状態（例：l = +1.5）が正常に生成され、近場イメージングおよび動画記録（動画S1およびS2）により、1つの整数状態から次に移行する際のバーチャル構造の動的変化が確認された。
• 4つのCバンド波長（1466 nm、1490 nm、1515 nm、1541 nm）で動作を確認し、ヒーターがオフまたは2.8 mWに設定された状態でも、一貫したOAM状態制御が維持された。これにより、波長に依存しないチューニングが実証された。
• OAM状態の再構成時間は数マイクロ秒のオーダーであり、液体結晶型空間光変調器（msスケール）よりも著しく高速であった。
• 非共鳴的で広帯域の設計により、1つの電気制御信号で複数波長同時動作が可能となり、将来的な波長分割多重（WDM）を用いた空間多重（SDM）光通信への統合を支援する。