[論文レビュー] Mid-infrared dispersive wave generation in silicon nitride nano-photonic waveguides

Clemens Herkommer, Adrien Billat+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、1550 nmのフェムト秒ファイバー光源（0.6 nJパルスエネルギー）を用いて、シリコンナ nitride波導を用いて2.5–4 µmのミッドインフラレッド（mid-IR）分散波を効率的かつ整合的（coherent）に生成することを示している。厚さ2.3 µmの分散調整済み波導を、改良型フォトニックス・ダマスカーノプロセスで作製し、群速度分散（GVD）を異常（anomalous）にエンジニアリングすることで、広帯域のミッドインフラレッド発光が可能となり、高いスペクトル整合性を示す。本手法は、ミッドインフラレッド周波数コンブや分光法への応用を実現する小型化されたルートを提供する。

ABSTRACT

The generation of supercontinua using photonic chip-based waveguides enables efficient broadening at low pulse energy owing to the large effective nonlinearity of nanoscale waveguides made of materials with large Kerr nonlinearity. While photonic waveguides for supercontinuum generation have been extensively studied in the visible and the near-infrared spectral range, there is a growing interest in the mid-infrared (mid-IR) range, which is particularly suitable for molecular spectroscopy. Yet to date, accessing the mid-IR using photonic chip-based supercontinua has been challenging, and typically has only been accessed with this method by operating the pulsed source directly within the mid-IR. Here we demonstrate a simple, yet effective method for the direct generation of high coherence mid infrared radiation in the 2.5--4 micron region from a femtosecond laser in the telecommunication band (i.e. 1550 nm). The wavelength conversion is based on dispersive wave generation in dispersion engineered silicon nitride waveguides, pumped by a femtosecond fiber laser with pulse energies of 0.6 nJ. Efficient wave guiding in the mid-IR and dispersion engineering is achieved using a modified photonic Damascene fabrication process, allowing waveguides with an unprecedented height exceeding 2.3 micron and resulting in broadband anomalous group velocity dispersion extending into the mid-IR. Lithographic tuning of the mid-IR dispersive wave position is demonstrated and numerical simulations indicate a high level of spectral coherence in the mid-IR, thereby providing a route for synthesis of mid-IR frequency combs based on this method. Such a simple and versatile mid-IR source is suitable for spectroscopic applications in the first mid-IR atmospheric window, and may also serve to synthesize mid-IR frequency combs.

研究の動機と目的

• 分光応用を目的とした、フォトニクスチップ上での広帯域かつ整合的（coherent）なミッドインフラーレッド放射の生成という課題に取り組む。
• 主に可視光および近赤外帯域に限定される既存のオンチップスーパーコンティンウム光源の限界を克服する。
• 分散調整済みシリコンナ nitride波導における分散波放射を活用することで、直接的なミッドインフラーレッド生成を実現する。
• 低パルスエネルギーと標準的な通信波長を用いて、スケーラブルかつチップ統合型のミッドインフラーレッド周波数コンブ合成プラットフォームを開発する。
• 波導幾何形状の最適化により、ミッドインフラーレッド領域まで広がる異常群速度分散（anomalous group velocity dispersion）を実現する。

提案手法

• 2.3 µmを超える非比類の厚さを持つシリコンナ nitride波導を、改良型フォトニックス・ダマスカーノプロセスを用いて作製する。
• 波導の分散を制御し、ミッドインフラーレッド（2.5–4 µm）領域まで延びる異常群速度分散（anomalous GVD）を実現する。
• 1550 nmフェムト秒ファイバー光源（0.6 nJパルスエネルギー）を用いて波導をポンプし、分散波生成を含む非線形過程を励起する。
• リソグラフィックチューニングを用いて、生成されたミッドインフラーレッド分散波の中心波長を2.5–4 µm範囲で制御する。
• 数値シミュレーションを適用し、ミッドインフラーレッド出力の高いスペクトル整合性を予測および確認する。
• ナノスケール波導の高い有効非線形性を活用し、低ポンプエネルギーでも効率的なスペクトル拡張を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散調整済みシリコンナ nitride波導における分散波生成が、通信帯フェムト秒光源から直接的に整合的（coherent）なミッドインフラーレッド放射を生成できるか？
• RQ2 波導の厚さおよび幾何形状をどの程度最適化すれば、異常群速度分散（anomalous GVD）をミッドインフラーレッド領域まで拡張できるか？
• RQ3 リソグラフィックチューニングは、生成されたミッドインフラーレッド分散波の中心波長にどのような影響を及えるか？
• RQ4 このようなチップベースシステムからのミッドインフラーレッド出力で、どの程度のスペクトル整合性が達成可能か？
• RQ5 このプラットフォームは、オンチップミッドインフラーレッド周波数コンブ生成の実用的ルートとして有効であるか？

主な発見

• 著者らは、1550 nmフェムト秒レーザー（0.6 nJパルスエネルギー）を用いて、2.5–4 µm範囲で効率的なミッドインフラーレッド分散波生成を達成した。
• 改良型フォトニックス・ダマスカーノプロセスを用いて、2.3 µmを超える厚さの波導を製造し、ミッドインフラーレッド領域まで広がる広帯域の異常群速度分散（anomalous GVD）を実現した。
• リソグラフィックチューニングにより、生成された分散波の中心波長を2.5–4 µmスペクトル窓全域で精密に制御可能であった。
• 数値的シミュレーションにより、ミッドインフラーレッド出力に高いスペクトル整合性が確認され、周波数コンブ応用に適していることが示された。
• 本プラットフォームにより、ミッドインフラーレッドポンプ源を必要とせず、チップ上で直接的かつ低エネルギーのミッドインフラーレッド生成が可能となった。
• 本手法は、オンチップミッドインフラーレッド周波数コンブ合成および分光センシングのためのスケーラブルかつ多様なルートを提供する。特に、最初の大気窓（first atmospheric window）に応用可能である。