[論文レビュー] Compact, spatial-mode-interaction-free, ultralow-loss, nonlinear photonic integrated circuits

Xinru Ji, Junqiu Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、空間モード干渉を抑制するエラー曲げを備えたコンパactで超低損失、非線形シリコンナ nitride光集積回路を提示する。これにより、19.8 GHzの自由スペクトル範囲を有する0.21 mm²のレーシングトラックマイクロレゾネータを実現した。設計は、複雑な調整を要せず、19.8 GHzの繰返し周波数で単一の散乱的ケル・ソリトン動作を達成しており、分散プロファイルと光損失率（15.5 MHz）が有効な断続的モード変換により保持されている。

ABSTRACT

Nonlinear photonics based on integrated circuits has enabled applications such as parametric amplifiers, soliton frequency combs, supercontinua, and non-reciprocal devices. Ultralow optical loss and the capability for dispersion engineering are essential, which necessitate the use of multi-mode waveguides. Despite that rich interaction among different spatial waveguide eigenmodes can give rise to novel nonlinear phenomena, spatial mode interaction is typically undesired as it increases optical loss, perturbs local dispersion profile, and impedes soliton formation. Adiabatic bends, such as Euler bends whose curvature varies linearly with their path length, have been favoured to suppress spatial mode interaction. Adiabatic bends can essentially connect any two waveguide segments with adiabatic mode conversion, thus efficiently avoid mode mixing due to mode mismatch. However, previous works lack quantitative measurement data and analysis to fairly evaluate the adiabaticity, and are not based on photonic integrated circuits with tight optical confinement and optical losses of few dB/m. Here, we adapt, optimize, and implement Euler bends to build compact racetrack microresonators based on ultralow-loss, multi-mode, silicon nitride photonic integrated circuits. The racetrack microresonators feature a small footprint of only 0.21 mm^2 for 19.8 GHz FSR. We quantitatively investigate the suppression of spatial mode interaction in the racetrack microresonators with Euler bends. We show that the optical loss rate (15.5 MHz) is preserved, on par with the mode interaction strength (25 MHz). This results in an unperturbed microresonator dispersion profile. We further demonstrate single soliton of 19.8 GHz repetition rate. The optimized Euler bends and racetrack microresonators can be key building blocks for integrated nonlinear photonic systems, programmable processors and photonic quantum computing.

研究の動機と目的

• マルチモードで超低損失な光集積回路における空間モード干渉の課題に取り組み、非線形光デバイスの性能低下を是正すること。
• フォトニクスの低損失と変化のない分散特性を維持しながら、最小限のフットプリントで高性能なレーシングトラックマイクロレゾネータを設計すること。
• エラー曲げを用いてモード混合を抑制することで、0.25 mm²未満のマイクロレゾネータで単一の散乱的ケル・ソリトン動作を実証すること。
• ピエゾ電気的モジュレータとの互換性を高め、フォトニクスの線形および非線形部品の高密度統合を可能にすること。

提案手法

• パス長に比例して曲率が線形に変化するエラー曲げを採用・最適化し、直線波ガイドと湾曲部間の断続的モード変換を実現した。
• 高アスペクト比と小フォトニクスのフットプリントを実現するため、深紫外線（DUV）ステッパー光リソグラフィーを用いて、超低損失でマルチモードのシリコンナ nitrideレーシングトラックマイクロレゾネータを設計・プロトタイピングした。
• 異なる曲げタイプにおけるモード変換効率および空間モード干渉抑制効果を評価するために、有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを実施した。
• 同一条件でプロトタイピングされたエラー曲げ型および円形曲げ型マイクロレゾネータの光損失率とソリトン形成を測定した。
• 位相ノイズ測定と繰返し周波数の調整を用いて、ソリトンの安定性および分散波放射の有無を評価した。
• レーシングトラック形状の長さ対スパン比の大きさを活用し、直線波ガイド部が支配的な分散プロファイルの正確な計算を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エラー曲げは、超低損失でマルチモードのシリコンナ nitride光集積回路における空間モード干渉を効果的に抑制できるか？
• RQ2 モード干渉の抑制は、マイクロレゾネータの分散プロファイルと光損失率をどの程度保持するか？
• RQ3 エラー曲げを有するコンパクトなレーシングトラックマイクロレゾネータは、補助レーザーや複雑な調整を要せず、安定した単一の散乱的ケル・ソリトン動作を実現できるか？
• RQ4 エラー曲げを有するレーシングトラックマイクロレゾネータのフットプリントは、従来の設計と比較してどの程度小さくなるか？また、フォトニクス統合にどのような影響を及えるか？
• RQ5 断続的モード変換は、コンパクトなプラットフォーム上で高性能な非線形フォトニクス回路を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• プロトタイピングされたレーシングトラックマイクロレゾネータは、0.21 mm²のフットプリントと19.8 GHzの自由スペクトル範囲を達成した。これは、従来のマイクロリングベースのソリトンデバイスと比較して20倍の小型化を実現した。
• 光損失率は15.5 MHzで測定され、モード干渉強度（25 MHz）と同等であったため、分散プロファイルへの摂動が最小限であることが確認された。
• 複雑なレーザー調整スキームや補助レーザーを必要とせず、19.8 GHzの繰返し周波数で単一の散乱的ケル・ソリトンが生成された。
• 位相ノイズ測定では、強い静穏点が観測されず、回避モードクロスイングの欠如とモード干渉の低減により、分散波放射が抑制されていることが示された。
• FDTDシミュレーションにより、エラー曲げ設計が効果的な断続的モード変換を実現していることが確認され、高曲率でもモード混合が最小限に抑えられていることが示された。
• DUVステッパー光リソグラフィーの使用により、高アスペクト比でコンパクトなデバイスのプロトタイピングが可能となり、電子ビームリソグラフィーの制限やステッチングエラーの問題を克服した。