[論文レビュー] Octave-spanning microcomb generation in 4H-silicon-carbide-on-insulator photonics platform

Lutong Cai, Jingwei Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、4H-酸化ケイ素カーバイド（4H-SiCOI）フォトニクスプラットフォームにおいて、初のオクターブスパンマイクロコンブ生成を実証した。36-µm半径のマイクロリングレゾネータで、ナノフォトリクスを最適化して100万を超える真性Qファクターを達成し、基本モード（TE₀₀）における波ガイド幅の調整による分散制御を施した。これにより、1100–2400 nmにわたる広帯域コンブを実現し、オンチップ出力が約120 mWに達し、チップスケールのf-2f自己参照への重要な一歩を踏み出した。

ABSTRACT

Silicon carbide has recently emerged as a promising photonics material due to its unique properties, including possessing strong second- and third-order nonlinear coefficients and hosting various color centers that can be utilized for a wealth of quantum applications. Here, we report the design and demonstration of octave-spanning microcombs in a 4H-silicon-carbide-on-insulator platform for the first time. Such broadband operation is enabled by optimized nanofabrication achieving >1 million intrinsic quality factors in a 36-$μ$m-radius microring resonator, and careful dispersion engineering by investigating the dispersion properties of different mode families. For example, for the fundamental transverse-electric mode whose dispersion can be tailored by simply varying the microring waveguide width, we realized a microcomb spectrum covering the wavelength range from 1100 nm to 2400 nm with an on-chip power near 120 mW. While the observed comb state is verified to be chaotic and not soliton, attaining such a large bandwidth is a crucial step towards realizing $f$-2$f$ self-referencing. In addition, we have also observed coherent soliton-crystal state for the fundamental transverse-magnetic mode, which exhibits stronger dispersion than the fundamental transverse-electric mode and hence a narrower bandwidth.

研究の動機と目的

• 統合周波数メトロロジーを目的として、4H-酸化ケイ素カーバイドオンインシュレーター（4H-SiCOI）フォトニクスプラットフォームでオクターブスパンマイクロコンブ生成を達成すること。
• 従来のSiCベースマイクロコンブの帯域制限を克服するため、波ガイド幅の調整による分散制御を実現すること。
• 最適化されたナノフォトリクスを用いて、コンパクトなSiCマイクロリングレゾネータで真性Qファクター（100万以上）を達成すること。
• 1オクターブを超える広帯域コンブを生成することで、チップスケールのf-2f自己参照を実現すること。
• 実験的コンブスペクトルとLLEシミュレーションの比較を通じて、SiC材料の効果的非線形性を評価すること。

提案手法

• 500 nmのSiC厚さと100 nmの埋め込み酸化シリコン層を有する4H-SiCOIプラットフォームを用い、直接ウェーハボンディングと研磨技術を用いてフォトリクスを形成した。
• マイクロリング波ガイド幅を1.6–1.9 µmに変化させることで、基本モード（TE₀₀）における分散を制御し、広帯域にわたり異常群速度分散（GVD）を達成した。
• 側面の傾きを80–85°に制御し、散乱損失を最小化することで、最適化されたナノフォトリクスを用いて真性Qファクター（100万以上）を達成した。
• 入力結合にはグレーティングカップラーを、広帯域出力収集には研磨されたチップ端面へのバット結合を用い、1100–2400 nmの全スペクトルを解像した。
• 全コンブ帯域を測定するために、600–1700 nmと1200–2400 nmをカバーする2台の光スペクトルアナライザー（OSA）を用いた。
• γ ≈ 2.1 W⁻¹m⁻¹およびQ_intrinsic = 125万を用いたLugiato-Lefever方程式（LLE）の数値シミュレーションを実施し、コンブダイナミクスをモデル化するとともに、材料非線形性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散制御と高Qナノフォトリクスを用いた4H-SiCOIプラットフォームで、オクターブスパンマイクロコンブを生成できるか？
• RQ2 4H-SiCOIマイクロリングのTE₀₀モードにおいて、波ガイド幅を調整することで達成可能な最大コンブ帯域幅はどの程度か？
• RQ3 4H-SiCOIマイクロリングの真性Qファクターは、最先端のプラットフォームと比較してどの程度か？本研究で100万を超えるQが達成された要因は何か？
• RQ4 観測されたコンブ状態はf-2f自己参照を可能にするか？また、このプラットフォームにおけるコンブの性質（混沌的 vs. ソリトン）は何か？
• RQ5 実験的コンブスペクトルとLLEシミュレーションから推定される、使用した4H-SiC材料の効果的 Kerr 非線形性はどの程度か？

主な発見

• 本研究では、いかなるSiCベースナノフォトニクスプラットフォームでも初のオクターブスパンマイクロコンブを実証した。36-µm半径マイクロリングレゾネータを用い、1100–2400 nmのスペクトルをカバーした。
• 基本モード（TE₀₀）を用い、波ガイド幅1.8–1.9 µmに設定することでコンブスペクトルを達成し、スペクトル帯域幅が150 THzを超えた。
• 広帯域コンブを生成するためのオンチップポンプパワーは約120 mWであった。出力はレンズ付きファイバーへのバット結合により収集された。
• ビートノート測定により、コンブ状態はコherentソリトンではなく、混沌的ダイナミクスを示すモード不安定性（MI）コンブであると確認された。
• 効果的 Kerr 非線形性は n₂ = (3.0 ± 1.0) × 10⁻¹⁹ m²/W と推定され、γ ≈ 2.1 W⁻¹m⁻¹ に相当した。これは、他のSiCサンプルで報告された値よりも低かった。
• TM₀₀モードではコherentソリトンクリスタル状態が観測されたが、TE₀₀モードに比べて分散が強い影響を及ぼし、帯域幅が狭かった。