[論文レビュー] Ultra-high-Q UV microring resonators based on single-crystalline AlN platform

Xianwen Liu, Alexander W. Bruch+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 27被引用数 32

ひとこと要約

本論文では、紫外線（UV）帯域向けに、単結晶窒化アルミニウム（AlN）を用いた超高Qファイバー共振器を実証し、390 nmで2.1 × 10⁵という記録的な品質因子を達成した。光学損失は約8 dB/cmであった。低損失のAlN波guidesは、AlGaN発光素子および受光素子と統合可能なUV光子回路を実現し、オンチップUV分光法、非線形光学、および量子情報処理への応用を支援する。

ABSTRACT

Development of low-loss photonic components in the ultraviolet (UV) band will open new prospects for classical and quantum optics. Compared with other integrated platforms, aluminum nitride (AlN) is particularly attractive as it features an enormous bandgap of ~6.2 eV and intrinsic χ(2) and χ(3) susceptibilities. In this work, we demonstrate a record quality factor of 2.1 × 10⁵ (optical loss ~ 8 dB/cm) at 390 nm based on single-crystalline AlN microrings. The low-loss AlN UV waveguide represents a significant milestone toward UV photonic integrated circuits as it features full compatibility for future incorporation of AlGaN-based UV emitters and receivers. On-chip UV spectroscopy, nonlinear optics and quantum information processing can also be envisioned.

研究の動機と目的

• 紫外線（UV）波長帯域向けの低損失光子素子の開発を目的とする。
• UV集積光子回路における高い光学損失の課題に取り組む。
• 単結晶AlNを用いた高品質因子（Q因子）マイクロリング共振器プラットフォームをUV応用向けに実証すること。
• オンチップ光子システム向けに、AlGaNベースのUV発光素子および検出素子と統合可能な技術を実現すること。
• オンチップUV分光法、非線形光学、および量子情報処理への道筋を開くこと。

提案手法

• 散乱損失および伝搬損失を最小限に抑えるために、 sapphire基板上に単結晶AlN薄膜を形成する。
• 390 nm波長で高Q因子を実現するマイクロリング共振器の設計および製造。
• 内在的なχ(2)およびχ(3)非線形感受率を持つ低損失AlN波guidesプラットフォームの利用。
• 透過および反射測定による光学特性の評価を通じて、Q因子および伝搬損失を抽出。
• UV帯域における2光子吸収およびその他の損失メカニズムを低減するため、AlNの広いバンドギャップ（約6.2 eV）を活用。
• 将来のモノリシック統合を想定し、AlGaNベースのアクティブデバイスと互換性を確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単結晶AlNプラットフォームを用いて、UV帯域で超高Q因子を達成できるか？
• RQ2 390 nmにおいて、AlN波guidesで達成可能な最小の光学伝搬損失はどの程度か？
• RQ3 AlNの内在的非線形性がUV光子応用にどのように寄与するか？
• RQ4 AlNマイクロリング共振器は、効率的なオンチップUV分光法を可能にするか？
• RQ5 AlGaNベースのUV発光素子および検出素子とのモノリシック統合の可能性はどの程度か？

主な発見

• 単結晶AlNマイクロリング共振器において、390 nmで記録的な品質因子2.1 × 10⁵を達成した。
• AlN波guidesにおける光学伝搬損失は、約8 dB/cmであった。
• AlNプラットフォームは、モノリシック統合を想定したAlGaNベースのUV発光素子および受光素子と完全に互換性を有する。
• AlNの広いバンドギャップ（約6.2 eV）のおかげで、UV帯域における2光子吸収が低減され、高い透過性が実現された。
• 低損失AlN波guidesプラットフォームは、将来のオンチップUV分光法および非線形光学への応用を支援する。
• 本結果は、量子情報処理を想定した統合UV光子回路の基盤を確立した。