[論文レビュー] Femtojoule, femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics

Qiushi Guo, Ryoto Sekine+7 more|Figshare|Jul 21, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、周期的ポーリング波導における準位相一致（QPM）および分散の設計を用いて、リチウムニオブート薄膜フォトニクスでフェムトジュール、フェムトセondsの全光スイッチングを実証した。デバイスは超低エネルギースイッチング（最低18 fJ）、ほぼ瞬時の18 fsスイッチング時間、および5 dBを超える消光比を達成し、記録的なエネルギー・時間積 $1.4 \times 10^{-27}$ J·sを実現した。これにより、オンチップの超高速かつ高効率な光処理が可能になった。

ABSTRACT

Optical nonlinear functions are crucial for various applications in integrated photonics, such as all-optical information processing, photonic neural networks and on-chip ultrafast light sources. Due to the weak nonlinearities in most integrated photonic platforms, realizing optical nonlinear functions typically requires large driving energies in the picojoules level or beyond, thus imposing a barrier for most applications. Here, we tackle this challenge and demonstrate an integrated nonlinear splitter device in lithium niobate nano-waveguides by simultaneous engineering of the dispersion and quasi-phase matching. We achieve non-resonant all-optical switching with ultra-low energies down to tens of femtojoules, a near instantaneous switching time of 18 fs, and a large extinction ratio of more than 5 dB. Our nonlinear splitter simultaneously realizes switch-on and -off operations and features a state-of-the-art switching energy-time product as low as $1.4 imes10^{-27}$ J$\cdot$s. We also show a path toward attojoule level all-optical switching by further optimizing the device geometry. Our results can enable on-chip ultrafast and energy-efficient all-optical information processing, computing systems, and light sources.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクス・プラットフォームにおける強力で即時の二次非線形性を活用することで、全光スイッチングにおけるエネルギー帯域幅トレードオフを克服すること。
• サブピコジュールのエネルギーとフェムトセondsの応答時間を有する非共鳴全光スイッチングを、コンactなオンチップデバイスで達成すること。
• 薄膜リチウムニオブート波導において分散と準位相一致を同時に設計することで、長大な非線形相互作用長と高い効率を実現すること。
• デバイスの幾何形状最適化により、アットジュールレベルのスイッチングへの道筋を示すこと。
• 実用的なオンチップの超高速光情報処理を可能にし、新興のパルス光源と統合すること。

提案手法

• 局所的なポーリング欠陥を有する周期的ポーリングリチウムニオブート（PPLN）波導を設計し、非線形プロセスを二次高調波発生（SHG）から退化光学パラメトリック増幅（DOPA）に切り替えることでスイッチングを実現した。
• 空間的・時間的制約を波長長にわたって維持するため、分散工学を同時に実施し、超短パルスの長距離にわたる有効な非線形相互作用長を実現した。
• 方向性 coupler を用いた非線形スプリッタ構造を採用し、入力パルスエネルギーに応じて基本高調波（FH）をルーティングすることで、スイッチオンおよびスイッチオフ動作を可能にした。
• 非線形包絡方程式（NEE）を周波数領域で解き、4次ルンゲ・クッタ積分を用いたスプリット・ステップ・フーリエ法を用いてパルス伝搬および非線形ダイナミクスをシミュレートした。
• 電子ビームリソグラフィーを用いて700 nm厚のMgOドーピングLiNbO₃薄膜上にデバイスをフォトリソグラフィーし、パルス電界による反強誘電体ドメイン反転と、反応性酸化イオンエッチングを用いて波導を定義した。
• OPOを用いて生成された2090 nm、46.2 fsのパルス光源を用いて光学的測定を実施し、入力パワーは熱電力計でキャリブレーションし、出力はOSAまたは赤外光受信素子で測定した。

Figure 1: Device design and operating principle. a , Illustration of the QPM engineering in PPLN waveguide. The poling defect (a longer ferroelectric domain with a length $L=\Lambda$ ) shifts the phase difference between the FH and SH by $\pi$ . As a result, the poling defect switches the SHG to deg

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合フォトニクス・プラットフォームにおいて、サブフェムトジュールのエネルギーと100 fs未満のスイッチング時間で非共鳴全光スイッチングを達成できるか？
• RQ2 リチウムニオブート薄膜フォトニクスにおいて、分散と準位相一致を同時に設計することで、光キャビティに依存せずに長大な有効非線形相互作用長を実現できるか？
• RQ3 コンパクトでオンチップのデバイスにおいて、二次非線形性を用いた全光スイッチングの最小エネルギー・時間積はどの程度達成可能か？
• RQ4 デバイス構造は、高い消光比と低クロストークスを実現するスイッチオンおよびスイッチオフ動作を両立できるか？
• RQ5 デバイスの幾何形状最適化により、理論的にアットジュールレベルのスイッチングに至る道筋はどのようなものか？

主な発見

• デバイスは、最小18 fJのスイッチングエネルギーを達成し、記録的なエネルギー・時間積 $1.4 \times 10^{-27}$ J·sを実現した。
• スイッチング時間は18 fsと測定され、χ(2)非線形性の即時性に起因するほぼ瞬時の応答を示した。
• 消光比は5 dBを超えた。オン状態では透過率85%、オフ状態では15%を示し、高コントラストのスイッチングを示した。
• 分散とQPMの併用設計により、非線形相互作用長が70 mmにまで延長され、長距離伝搬における効率的な非線形変換が可能になった。
• 1つの統合コンponentでスイッチオンおよびスイッチオフ動作を同時に実現し、再構成可能な全光ルーティングを実現した。
• さらにデバイスの幾何形状を最適化することで、アットジュールレベルのスイッチングへの道筋が示された。今後の設計において、サブフェムトジュール動作が可能になる可能性がある。

Figure 2: Integrated nonlinear splitter and its linear optical characteristics. a , SEM image of the fabricated nonlinear splitter. Scale bar: 20 $\mu$ m. The device has a 2.5-mm-long SHG region and a 3.5-mm-long DOPA region. The directional coupler has a coupling length of 70 $\mu$ m and a gap of 6