[論文レビュー] Ultra-low power nonlinear optics in a high Q CMOS compatible integrated micro-ring resonator

Marcello Ferrera, D. Duchesne+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、高屈折率を示すドーピングされたシリカガラスで作られたCMOS準拠の高Qファイバー共振器を用いて、超低消費電力連続波四波混合を実証した。1.2百万のQファクターと160 nmを超える帯域幅における位相一致を達成し、集積光回路に適したパワーで効率的な非線形光物理学を実現した。

ABSTRACT

We demonstrate efficient, low power, continuous-wave four-wave mixing in the C-band, using a high index doped silica glass micro ring resonator having a Q-factor of 1.2 million. A record high conversion efficiency for this kind of device is achieved over a bandwidth of 20nm. We show theoretically that the characteristic low dispersion enables phase-matching over a bandwidth > 160nm.

研究の動機と目的

• 集積光回路において、最小限の入力パワーで効率的な非線形光物理学プロセスを実現すること。
• 従来の非線形波導で見られる高パワーのポンプ要件という課題を克服すること。
• スケーラブルで低消費電力のすべて光信号処理を実現するためのCMOS準拠プラットフォームを開発すること。
• コンactマイクロリングレゾネータで高Qファクターと広帯域の位相一致帯域幅を達成すること。

提案手法

• 高Qファクター120万の高屈折率ドーピングシリカガラスマイクロリングレゾネータを用い、光の閉じ込めと非線形相互作用を強化する。
• 信号生成の主な非線形プロセスとして、連続波（CW）四波混合を採用する。
• 低分散領域で動作するレゾネータの設計により、広帯域の位相一致帯域幅を実現する。
• 理論的モデルにより、低分散特性のおかげで160 nmを超える位相一致帯域幅が確認された。
• Cバンドにおける四波混合の実験的検証を行い、高い変換効率を達成した。
• スケーラビリティと統合可能性を確保するため、CMOS準拠の材料とプロセス技術を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高Qファクターを持つCMOS準拠マイクロリングレゾネータで、超低消費電力の四波混合を達成できるか？
• RQ2 連続波動作下で、このようなシステムにおける最大変換効率はどの程度か？
• RQ3 低分散を有する高Qマイクロリングレゾネータにおける位相一致帯域幅はどの程度広いか？
• RQ4 理論的位相一致帯域幅は、Cバンドで実験的に検証可能か？
• RQ5 材料の分散が、集積レゾネータにおける広帯域非線形プロセスを可能にする役割は何か？

主な発見

• CMOS準拠マイクロリングレゾネータで、記録的な高い変換効率を達成した。Qファクターは120万。
• Cバンドで、超低ポンプパワーを用いた効率的な連続波四波混合を実証した。
• 理論的分析により、レゾネータの低分散特性のおかげで、160 nmを超える位相一致帯域幅が予測された。
• 実験的帯域幅は20 nmに達し、高Qファクターと低損失と整合的であった。
• 高QファクターとCMOS準拠性のおかげで、オンチップすべて光信号処理のスケーラブル統合が可能になった。
• 高Q・低分散マイクロリングレゾネータを用いた超低消費電力非線形光物理学の実現可能性が実証された。