[論文レビュー] Fundamental charge noise in electro-optic photonic integrated circuits

Junyin Zhang, Zihan Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、リチウムニオブ酸塩およびタンパク酸塩を基盤とする電気光学的フォトニック集積回路において、$1/f^{1.2}$ スケーリングの周波数揺らぎとして現れる根本的電荷ノイズを特定した。このノイズは、熱力学的駆動による電荷キャリア密度の揺らぎに起因し、強いポケルス効果を介して変換され、従来の熱的屈折率ノイズが相殺されることで、主なノイズ源として顕在する。これにより、ポケルス効果に基づくフォトニクスにおけるジョンソン＝ニューパルス・ノイズが、最終的な限界として確立される。

ABSTRACT

Understanding thermodynamical measurement noise is of central importance for electrical and optical precision measurements from mass-fabricated semiconductor sensors, where the Brownian motion of charge carriers poses limits, to optical reference cavities for atomic clocks or gravitational wave detection, which are limited by thermorefractive and thermoelastic noise due to the transduction of temperature fluctuations to the refractive index and length fluctuations. Here, we discover that unexpectedly charge carrier density fluctuations give rise to a novel noise process in recently emerged electro-optic photonic integrated circuits. We show that Lithium Niobate and Lithium Tantalate photonic integrated microresonators exhibit an unexpected Flicker type (i.e. $1/f^{1.2}$) scaling in their noise properties, significantly deviating from the well-established thermorefractive noise theory. We show that this noise is consistent with thermodynamical charge noise, which leads to electrical field fluctuations that are transduced via the strong Pockels effects of electro-optic materials. Our results establish electrical Johnson-Nyquist noise as the fundamental limitation for Pockels integrated photonics, crucial for determining performance limits for both classical and quantum devices, ranging from ultra-fast tunable and low-noise lasers, Pockels soliton microcombs, to quantum transduction, squeezed light or entangled photon-pair generation. Equally, this observation offers optical methods to probe mesoscopic charge fluctuations with exceptional precision.

研究の動機と目的

• フェロエレクトリック材料を用いた電気光学的フォトニック集積回路における、これまで観測されていなかったノイズメカニズムの同定と特徴付け。
• 理論的に予想されてきた熱力学的電荷ノイズが、実用的な電気光学的マイクロレゾネータに実際に現れるかどうかの検証。
• 集積フォトニクスの最終的性能限界を決定づける要因として、電荷ノイズと従来の熱的屈折率ノイズの相対的寄与度の評価。
• ポケルス効果に基づく集積フォトニクスにおいて、ジョンソン＝ニューパルス・ノイズが根本的限界を占める役割を確立すること。
• これらのデバイスを用いて、光学的測定がメソスコピックな電荷揺らぎを高精度でプローブできることの実証。

提案手法

• 高ファインネスのファブリ・ペロー共振器を位相基準として用い、サブ・ヘルツ解像度で内部共振器周波数ノイズを測定するバランスド・ホームダイン・干渉計法を採用。
• PDHロックされた外部キャビティ半導体レーザーと波長計を用いて、10 kHz～10 MHz帯域における共鳴周波数揺らぎを追跡するDCシフト測定を実施。
• 強度変調されたポンプレーザーとサイドバンドプロービングを用いた、整合的に駆動された非線形応答測定により、コherently伝達関数を抽出。
• DFBレーザーをマイクロレゾネータに自己注入ロックし、ヘテロダインビートノート検出を用いて高解像度の位相ノイズ解析を実施。
• ベクトル・ネットワークアナライザーを用いて、試験中のキャビティの複素応答関数を測定し、ノイズスペクトル密度の抽出を可能にした。
• 理論的モデリングにより、ピロエレクトリックおよび電気光学的非線形性を考慮し、ピロEO効果に起因する熱的屈折率ノイズの相殺が生じることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学的駆動による電荷キャリア密度揺らぎが、電気光学的マイクロレゾネータにおいて測定可能な光学周波数ノイズを引き起こすか？
• RQ2 リチウムニオブ酸塩およびタンパク酸塩マイクロレゾネータで観測された$1/f^{1.2}$ 型ノイズは、従来の熱的屈折率ノイズモデルとどのように比較されるか？
• RQ3 フェロエレクトリック材料におけるピロエレクトリックおよび電気光学的非線形性が、熱的屈折率ノイズの相殺にどの程度寄与するか？
• RQ4 キャビティ周波数ノイズの光学的測定を用いて、高感度でメソスコピックな電荷揺らぎをプローブできるか？
• RQ5 ポケルス効果に基づく集積フォトニクスデバイスにおける、電荷ノイズが引き起こす最終的性能限界は何か？

主な発見

• リチウムニオブ酸塩およびタンパク酸塩マイクロレゾネータは、10 kHz～10 MHzの周波数範囲で$1/f^{1.2}$ 型のノイズスペクトルを示し、標準的な熱的屈折率ノイズ予測とは顕著に異なる。
• 観測されたノイズは、強いポケルス効果を介して、熱力学的電荷キャリア密度揺らぎが屈折率揺らぎに変換されたものに起因するとされる。
• ピロエレクトリックおよび電気光学的非線形性の併存により、熱的屈折率ノイズが相殺され、電荷ノイズが主なノイズ源となる。
• 本研究の結果により、ポケルス効果に基づく集積フォトニクスにおけるジョンソン＝ニューパルス・ノイズが根本的限界であることが確立され、超高速レーザーから量子変換応用までに影響を及ぼす。
• 観測されたノイズレベルは、従来光学分野で未検出であった、熱的電荷キャリア屈折率（TCCR）ノイズの理論的予測と整合的である。
• 本研究の発見は、高Qの電気光学的マイクロレゾネータを、凝縮系物質におけるメソスコピックな電荷ダイナミクスの高精度プローブとして用いる道を開く。