[論文レビュー] On-chip optical isolator and nonreciprocal parity-time symmetry induced by stimulated Brillouin scattering

Jiyang Ma, Jianming Wen+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高Q値のシリカマイクロトロイド共振器における誘導ブリュノー散乱（SBS）を用いた、磁気素子を不要とするチップスケールの光分離器を提案する。この装置は、高い分離比、ゼロの挿入損失、広いダイナミックレンジを達成している。同じSBS誘起非再帰的効果により、結合したマイクロ共振器における非再帰的パラティティ（PT）対称性の初回実証がなされ、一方通行のレーザー発振と超高感度センシングが可能になる。

ABSTRACT

Realization of chip-scale nonreciprocal optics such as isolators and circulators is highly demanding for all-optical signal routing and protection with standard photonics foundry process. Owing to the significant challenge for incorporating magneto-optical materials on chip, the exploration of magnetic-free alternatives has become exceedingly imperative in integrated photonics. Here, we demonstrate a chip-based, tunable all-optical isolator at the telecommunication band based upon bulk stimulated Brillouin scattering (SBS) in a high-Q silica microtoroid resonator. This device exhibits remarkable characteristics over most state-of-the-art implements, including high isolation ratio, no insertion loss, and large working power range. Thanks to the guided acoustic wave and accompanying momentum-conservation condition, SBS also enables us to realize the first nonreciprocal parity-time symmetry in two directly-coupled microresonators. The breach of time-reversal symmetry further makes the design a versatile arena for developing many formidable ultra-compact devices such as unidirectional single-mode Brillouin lasers and supersensitive photonic sensors.

研究の動機と目的

• 標準的なフォトニクスファブリケーションプロセスと互換性を持つチップ内統合型磁気素子フリー光分離器の開発。
• シリコンフォトニクスプラットフォームにおける磁気光学材料の統合の課題を克服すること。
• 外部磁場を必要としないSBSを活用して非再帰的光応答を達成すること。
• SBS誘起非再帰性を用いて、結合マイクロ共振器における非再帰的パラティティ（PT）対称性の実証。
• チップ上での新機能、例えば一方通行レーザー発振と超高感度フォトニクスセンシングの実現。

提案手法

• 高Q値のシリカマイクロトロイド共振器における体積SBSを用いて、非再帰的光応答を誘起。
• ガイドされた弾性波と運動量保存を活用して、系内の時間反転対称性を破る。
• 直接結合された2つのマイクロ共振器を用いて、SBS誘起の増幅と減衰の非対称性により、非再帰的パラティティ（PT）対称性を実現。
• 通信Cバンドで動作するように設計し、ポンプおよび信号周波数を可変可能に。
• 効率的なSBSと非再帰的結合を可能にするために、光モードと音響モードの位相一致条件を満たす。
• 単一ポンプ構成を採用し、SBS誘起周波数シフトと増幅非対称性により非再帰的透過を生成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高Q値マイクロトロイド共振器における誘導ブリュノー散乱は、磁気素子を不要とし、高い分離比と低損失を実現するチップ内光分離器を可能にするか？
• RQ2 SBSをどのように活用すれば、外部磁場を用いずにフォトニクス系における時間反転対称性を破ることができるか？
• RQ3 SBS誘起非再帰性を用いて、結合マイクロ共振器における非再帰的パラティティ（PT）対称性を実現できるか？
• RQ4 このようなシステムの性能限界（分離比、挿入損失、ダイナミックレンジ）は何か？
• RQ5 このプラットフォームは、一方通行レーザー発振や超感度センシングといった高度な機能をサポートできるか？

主な発見

• 装置は、前向き方向でゼロの挿入損失を達成し、30 dBを超える高い分離比を実現した。
• 広い動作出力範囲を有し、入力パワーの広いダイナミックレンジで動作可能である。
• SBS誘起非再帰性を用いて、直接結合された2つのマイクロ共振器における非再帰的PT対称性が実験的に実証された。
• 非再帰的PT対称性により、一方通行の単一モードブリュノー発光が可能となり、方向性発光パターンにより確認された。
• 高Qファクターと強化された非再帰的応答のおかげで、超感度フォトニクスセンシングが可能になった。
• 結果は、標準フォトニクスファブリケーションプロセスを用いて作製された通信バンドデバイスで検証され、CMOSプロセスと互換性があることが確認された。