[論文レビュー] Inverse-designed photonic circuits for fully passive, bias-free Kerr-based nonreciprocal transmission and routing

Ki Youl Yang, Jinhie Skarda+7 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 46被引用数 50

ひとこと要約

この論文は、完全にパッシブでバイアスフリーの Kerr-nonlinear nonreciprocal transmission and routing を silicon photonics 上で実証し、inverse-designed Fano reflectors および cascaded Fano-Lorentzian resonators を用いて、広い NRIR を持つ高い順方向伝送を達成し、オンチップ LIDAR のデモを行う。

ABSTRACT

Nonreciprocal devices such as isolators and circulators are key enabling technologies for communication systems, both at microwave and optical frequencies. While nonreciprocal devices based on magnetic effects are available for free-space and fibre-optic communication systems, their on-chip integration has been challenging, primarily due to the concomitant high insertion loss, weak magneto-optical effects, and material incompatibility. We show that Kerr nonlinear resonators can be used to achieve all-passive, low-loss, bias-free, broadband nonreciprocal transmission and routing for applications in photonic systems such as chip-scale LIDAR. A multi-port nonlinear Fano resonator is used as an on-chip, all-optical router for frequency comb based distance measurement. Since time-reversal symmetry imposes stringent limitations on the operating power range and transmission of a single nonlinear resonator, we implement a cascaded Fano-Lorentzian resonator system that overcomes these limitations and significantly improves the insertion loss, bandwidth and non-reciprocal power range of current state-of-the-art devices. This work provides a platform-independent design for nonreciprocal transmission and routing that are ideally suited for photonic integration.

研究の動機と目的

• モチベートと磁場バイアスや外部変調なしで、オンチップ非相殺光デバイスを可能にする。
• Kerrベースの、すべてパッシブな非往復伝送とルーティングを silicon photonics で設計・実証する。
• 従来の単一共振器の帯域幅-伝送トレードオフを、カスケード型非線形共振器で緩和する。

提案手法

• photonic inverse design (SPINS) を用いて、シリコンのラセクター共振器でファノ共振を生じさせる inverse-designed reflectors を作成する。
• 前方/後方対称性を破る非対称結合を実装して、伝送スペクトル中の非往復性を達成する。
• 基本的な TNRIR 境界を検証するために、単一の Fano 共振器デバイスを特性評価する。
• フォノンを持つ Fano 共振器と Lorentzian 共振器を、位相遅延をリソグラフィで制御してカスケードし、動作を広げつつ高い前方伝送を維持する。
• パルス性、周波数コムベースの設定で、非往復デバイスを用いたオンチップのルーティングと光距離測定（LIDAR）を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カーレン・ダビューな Kerr 非線形シリコン共振器は、集積フォトニクス向けのバイアスフリーで全パッシブな非往復性を達成できるか。
• RQ2 単一共振器の Kerr 非往復デバイスの実用的な性能（挿入損失、NRIR、帯域幅）はどうか、カスケード共振器で改善できるか。
• RQ3 inverse-design は、チップ規模の LIDAR などの用途に対して、堅牢で広帯域・低損失の非往復性とルーティング性を実現できるか。
• RQ4 デバイスは高速度のパルス動作をサポートし、機能的な光学距離測定システムに組み込めるか。

主な発見

• シリコン上のファノ非往復デバイスは、前方と後方の伝送対比が最大 24.7 dB、最小 13.4 dB、挿入損失 1.3 dB、NRIR 3.9 dB、ロード済み出力範囲 4.55–8.15 dBm で達成される。
• 単一共振器デバイスは、基本境界 T ≤ 4·NRIR/(NRIR+1)^2 に従うことが実験的に示され、前方伝送と NRIR の間の制限を示す。
• ファノ共振器と Lorentzian 共振器を、位相遅延を制御してカスケードすることで、NRIR > 6 dB 以上で前方伝送がほぼ単一共振器の境界を破り、ほぼ単一倍の前方伝送を達成（>99%）。
• カスケード共振器全体で広帯域のアイソレーションと高い前方伝送が実証され、構成によって挿入損失が 0.04–0.22 dBとなる。
• このデバイスは、周波数コムベースのソースを用いた距離測定を含む、オンチップのパルス型レーダー/ LIDAR様の距離測定を可能にし、ポンプの反射からの保護を提供する。
• このアプローチは、シリコンフォトニクスにおける受動的・バイアスフリー非往復伝送とルーティングの、プラットフォームに依存しない設計手法を提供し、LIDAR やフォトニック信号処理への潜在的な統合を示す。