[論文レビュー] Garnet-free optical circulators monolithically integrated on spatially modified III-V quantum wells

Parinaz Aleahmad, Mercedeh Khajavikhan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2016

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、空間的に設計されたIII-V量子井戸にモノリシックに統合された、ガーネットを含まないチップスケールの光サーキュレーターを提案する。材料内に内在する非ヒルベルト的および非線形効果を活用することで、一方向への光ルーティングを実現した。1550 nmで2.5 THz帯域幅にわたり23 dBの隔離を達成し、損失が少なく、色の保持性に優れる。磁気光学的成分に依存しないオンチップ光集積回路への実用的で実現可能な道筋を示した。

ABSTRACT

Optical circulators are indispensable components in photonic networks that are aimed to route information in a unidirectional way among their N-ports1,2. In general, these devices rely on magneto-optical garnets3 with appreciable Verdet constants that are utilized in conjunction with other elements like permanent magnets, wave-plates, birefringent crystals and/or beam splitters. Consequently, these arrangements are typically bulky and hence not conducive to on-chip photonic integration4-6. Of interest would be to devise strategies through which miniaturized optical circulators can be monolithically fabricated on light-emitting semiconductor platforms by solely relying on physical properties that are indigenous to the material itself. By exploiting the interplay between non-Hermiticity and nonlinearity, here we demonstrate a new class of chip-scale circulators on spatially modified III-V quantum well systems. These garnet-free unidirectional structures are broadband (over 2.5 THz) at 1550 nm, effectively loss-free, color-preserving, and in proof-of-principle demonstrations have provided 23 dB isolation when used under pulsed-mode conditions at milliwatt (mW) power levels.

研究の動機と目的

• オンチップ光集積回路における、大型な磁気光学的ガーネットに依存しない光サーキュレーターの実現を目的とする。
• III-V量子井戸の内在的材料特性のみを用いて、コンactでモノリシックに統合された小型光サーキュレーターの開発を目的とする。
• 外部磁場や複雑な光学素子を用いずに、広帯域、低損失、色の保持性に優れた一方向光ルーティングを実現することを目的とする。
• 標準的なIII-V半導体プラットフォームを用いて、実用的でスケーラブルな光集積回路用ソリューションを示すこと

提案手法

• 非対称な非ヒルベルト的および非線形光応答を誘導するために、空間的に変更されたIII-V量子井戸構造上にデバイスをフォトリソグラフィで作製した。
• 量子井戸ヘテロ構造における増幅と減衰の調制により、非ヒルベルト的性質を設計的に実現し、光の非対称伝播を可能にした。
• 非線形性を活用して、強度依存の位相シフトにより方向性と隔離度を向上させた。
• 外部磁石やガーネット系材料を一切使用せず、内在的材料特性にのみ依存する。
• 設計により、1550 nmを中心とした広帯域動作（2.5 THz）が可能であり、伝搬損失は最小限に抑えられた。
• ミリワットレベルの入力パワーでパルスモードで動作させた結果、実用的条件下での隔離性能が実証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気光学的ガーネットを用いずに、モノリシックなIII-V半導体プラットフォーム上で光サーキュレーターを実現できるか？
• RQ2 量子井戸における非ヒルベルト的および非線形効果をどのように設計することで、一方向光ルーティングを実現できるか？
• RQ3 ガーネットフリーでオンチップのサーキュレーターが達成可能な帯域幅と隔離性能はどの程度か？
• RQ4 このようなデバイスは広帯域にわたり色の保持性と低損失を維持できるか？
• RQ5 ミリワットレベルのパルス励起といった実用的動作条件下でも性能が安定しているか？

主な発見

• パルスモードでミリワットレベルの入力パワー下でも23 dBの隔離を達成し、効果的な一方向光ルーティングが実証された。
• 1550 nmを中心とした広帯域2.5 THzで動作可能であり、広帯域スペクトルへの適合性を有する。
• システムは実質的に損失がなく、帯域全体にわたり入力信号のスペクトルコンテンツを保持した。
• III-V量子井戸上に完全にモノリシックに統合されており、磁石やビームスプリッタなどの外部部品の必要性が排除された。
• ガーネット系磁気光学材料を一切使用せず、非ヒルベルト的性質と非線形性という内在的材料特性にのみ依存する。
• プロトタイプ実証により、光集積回路向けに小型でスケーラブルなチップスケールの光サーキュレーターの実現可能性が確認された。