[論文レビュー] Photonic chip-based continuous-travelling-wave parametric amplifier

Johann Riemensberger, Junqiu Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Cバンドで12 dBのネット光学増幅を達成する2メートルの分散設計を施した窒化ケイ素(Si3N4)波導を用いた、初めてのチップベース連続トレーリングウェーブパラメトリック増幅器を実証した。これにより、伝送損失および結合損失を克服した。このデバイスは、Si3N4における超低損失（0.15 dB/m）と高い Kerr 非線形性を活用し、量子制限された広帯域かつ一方向の増幅を実現し、半導体レーザーとの統合可能性を有する。

ABSTRACT

The ability to amplify optical signals is of pivotal importance across science and technology. The development of optical amplifiers has revolutionized optical communications, which are today pervasively used in virtually all sensing and communication applications of coherent laser sources. In the telecommunication bands, optical amplifiers typically utilize gain media based on III-V semiconductors or rare-earth-doped fibers. Another way to amplify optical signals is to utilize the Kerr nonlinearity of optical fibers or waveguides via parametric processes. Such parametric amplifiers of travelling continuous wave have been originally developed in the microwave domain, and enable quantum-limited signal amplification with high peak gain, broadband gain spectrum tailored via dispersion control, and ability to enable phase sensitive amplification. Despite these advantages, optical amplifiers based on parametric gain have proven impractical in silica fibers due to the low Kerr nonlinearity. Recent advances in photonic integrated circuits have revived interest in parametric amplifiers due to the significantly increased nonlinearity in various integrated platforms. Yet, despite major progress, continuous-wave-pumped parametric amplifiers built on photonic chips have to date remained out of reach. Here we demonstrate a chip-based travelling-wave optical parametric amplifier with net signal gain in the continuous-wave regime. Using ultralow-loss, dispersion-engineered, meter-long, silicon nitride photonic integrated circuits that are tightly coiled on a photonic chip, we achieve a continuous parametric gain of 12 dB that exceeds both the on-chip optical propagation loss and fiber-chip-fiber coupling losses in the optical C-band.

研究の動機と目的

• 連続波（CW）モードで動作するフォトリクスチップベースのパラメトリック増幅器を開発し、パルス励起を用いずとも信号のネットゲインを実現すること。
• 低 Kerr 非線形性と高損失を示すファイバーベースパラメトリック増幅器の限界を、分散設計を施した統合 Si3N4 波導を用いることで克服すること。
• 通信Cバンドにおいて、チップ内伝送損失およびファイバ-チップ-ファイバ結合損失を上回るネットゲインを達成すること。
• 従来の希土類元素増幅帯域外の可視光から中赤外域まで広い波長範囲で光学増幅が可能な、スケーラブルでコンactかつ設計可変なプラットフォームを実現すること。
• 将来の光通信および量子情報システムにおける、量子制限、高ゲイン、広帯域の増幅器を実現するため、半導体レーザーとの統合を可能とすること。

提案手法

• 本増幅器は、深紫外線（DUV）ステッパー露光リソグラフィーとフォトニクス・ダマスケーンプロセスを用いて、2メートルの分散設計を施した超低損失 Si3N4 フォトリクスインテグレーテッド回路として実現された。
• プレフォームのリフロー処理と化学機械研磨（CMP）により、波導の側面粗さを0.3 nm RMSのナノスケール未満に低減し、散乱損失を最小限に抑えた。
• 1550 nmの連続波ポンプを用いて、Si3N4波導内のχ(3) Kerr 非線形性を駆動し、四波混合（FWM）による信号増幅を実現した。
• 分散設計により2次および4次分散項を排除し、広帯域のゲイン帯域と効率的なFWMの位相一致を実現した。
• ポンプと信号が同じ方向に共伝送されるため、トラベルリングウェーブ動作が可能であり、デバイスは5×5 mm²の密なコイル型フォトニクスフォームファクターで動作した。
• 一般化非線形シュレーディンガー方程式（GNLSE）に基づく数値シミュレーションを用いて、ゲイン、損失、非線形相互作用をモデル化し、実験結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス励起を用いず、統合フォトリクス回路内の損失を克服できるチップベースパラメトリック増幅器が、連続波モードでネットゲインを達成できるか？
• RQ2 Si3N4波導でCバンドにおけるネットパラメトリックゲインを実現するためには、どの程度の光学損失と非線形性が求められるか？
• RQ3 Si3N4波導における分散設計が、広帯域かつ位相一致した四波混合をどの程度効果的に可能にするか？
• RQ4 フォトニクスチップにおけるパラメトリック増幅器の性能が、ファイバーベースの同等品を上回る可能性を有するか（フォームファクタ、設計の柔軟性、スケーラビリティの観点から）？
• RQ5 将来的な光通信および量子システムにおいて、このような増幅器をオンチップ半導体レーザーと統合する可能性はどの程度か？

主な発見

• デバイスはCバンドで12 dBのネット連続トレーリングウェーブパラメトリックゲインを達成し、チップ内伝送損失およびファイバ-チップ-ファイバ結合損失を上回った。
• ストイキオメトリックなSi3N4波導における超低損失（0.15 dB/m）により、500 mWのポンプパワーでの理論的パラメトリックゲインは70 dBを超える可能性を示した。
• 量子制限されたノイズ指数を達成し、位相感受性かつノイズレスな増幅が可能であり、これは量子応用にとって不可欠である。
• 2次および4次分散の抑制により、分散設計によって広帯域ゲインを実現し、効率的な四波混合を可能にした。
• Si3N4における高非線形性と低損失の統合により、コンパクトで単一共振型かつポンプ強化型のTWOPAへの道筋が開け、信号-信号FWMの低減が可能になった。
• 本結果により、高ゲイン、時間的およびスペクトル的に連続した動作が可能なチップベースパラメトリック増幅器のスケーリングが実現可能であることが示された。これは、将来的な光通信および量子情報システムに適したものである。