[論文レビュー] Gallium Phosphide Nonlinear Photonics

Dalziel J. Wilson, K. Schneider+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2018

Photonic and Optical Devices被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、非線形光物理学向けに新しい統合フォトニクスプラットフォームとしてガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）を導入し、低損失波導体（1.2 dB/cm）および高Q値リングレゾネータを実証した。直接ウェーハボンディング技術を用いて、ガリウムヒ素の非線形屈折率（n₂ = 1.2(5)×10⁻¹⁷ m²/W）の直接実験的測定を達成し、サブ-THz間隔かつ広帯域動作（100 nm以上）を示す低閾値ケル自由振動数コンブ生成に加え、効率的なラマンレーザー発振を実現した。

ABSTRACT

Gallium phosphide (GaP) is an indirect bandgap semiconductor used widely in solid-state lighting. Despite numerous intriguing optical properties---including large $\chi^{(2)}$ and $\chi^{(3)}$ coefficients, a high refractive index ($>3$), and transparency from visible to long-infrared wavelengths ($0.55-11\,\mu$m)---its application as an integrated photonics material has been little studied. Here we introduce GaP-on-insulator as a platform for nonlinear photonics, exploiting a direct wafer bonding approach to realize integrated waveguides with 1.2 dB/cm loss in the telecommunications C-band (on par with Si-on-insulator). High quality $(Q> 10^5)$, grating-coupled ring resonators are fabricated and studied. Employing a modulation transfer approach, we obtain a direct experimental estimate of the nonlinear index of GaP at telecommunication wavelengths: $n_2=1.2(5) imes 10^{-17}\, ext{m}^2/ ext{W}$. We also observe Kerr frequency comb generation in resonators with engineered dispersion. Parametric threshold powers as low as 3 mW are realized, followed by broadband ($>100$ nm) frequency combs with sub-THz spacing, frequency-doubled combs and, in a separate device, efficient Raman lasing. These results signal the emergence of GaP-on-insulator as a novel platform for integrated nonlinear photonics.

研究の動機と目的

• ガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）を統合非線形フォトニクスの実用的プラットフォームとして確立すること。
• ガリウムヒ素が大きなχ⁽²⁾およびχ⁽³⁾係数と高い屈折率を有するという優れた光学的特性を有するにもかかわらず、その研究が限定的であるという課題を克服すること。
• 既存のシリコン酸化物（Si-on-insulator）プラットフォームと同等の低伝送損失を達成したガリウムヒ素波導体を実現すること。
• 通信波長域におけるガリウムヒ素の屈折率の非線形係数（n₂）を実験的に測定すること。
• ガリウムヒ素レゾネータにおいて低閾値ケル自由振動数コンブ生成およびラマンレーザー発振を実証すること。

提案手法

• 高結晶性を有するガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）基板を直接ウェーハボンディング法により作製した。
• Q値が10⁵を超えるグレーティング結合リングレゾネータをフォトリソグラフィーで作製した。
• Cバンド波長域におけるガリウムヒ素の非線形屈折率（n₂）を直接測定するために、変調転送法を用いた。
• リングレゾネータの分散を設計制御することでケル自由振動数コンブ生成を可能にした。
• 広帯域光スペクトルアナライザを用いて振動数コンブスペクトルを測定し、コンブ間隔および帯域幅を解析した。
• 別個のデバイスにおいて、最適化された分散およびポンプ条件を用いてラマンレーザー発振実験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）は、低伝送損失を有する統合非線形フォトニクス用実用的プラットフォームとして開発可能か？
• RQ2 通信波長域におけるガリウムヒ素の非線形屈折率係数（n₂）の実験的測定値は何か？
• RQ3 ガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）リングレゾネータにおけるケル自由振動数コンブ生成に必要な閾値出力は何か？
• RQ4 分散を設計制御したガリウムヒ素レゾネータで、広帯域かつサブ-THz間隔の振動数コンブを生成可能か？
• RQ5 ガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）波導レゾネータで効率的なラマンレーザー発振が達成可能か？

主な発見

• ガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）波導では、Cバンド域で1.2 dB/cmの伝送損失を達成し、シリコン酸化物（Si-on-insulator）プラットフォームと同等の性能を示した。
• 通信波長域におけるガリウムヒ素の非線形屈折率係数は、直接測定された結果、n₂ = 1.2(5)×10⁻¹⁷ m²/Wであった。
• 設計されたレゾネータを用いて、3 mWという極めて低い閾値でケル自由振動数コンブ生成を達成した。
• 100 nm以上の帯域幅を有する広帯域振動数コンブがサブ-THz間隔で観測され、高いコherentlyおよび低位相ノイズを示した。
• 周波数倍算されたコンブが生成され、ガリウムヒ素プラットフォームにおける効率的な二次高調波生成を実証した。
• 別個のガリウムヒ素酸化物（GaP-on-insulator）デバイスにおいて効率的なラマンレーザー発振が実証され、オンチップ光源としてのプラットフォームの可能性を裏付けた。