[論文レビュー] Ultralow-threshold thin-film lithium niobate optical parametric oscillator

Juanjuan Lu, Ayed Al Sayem+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 47被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、準位相一致（quasi-phase-matched）で高Qのマイクロリング共振器を用いた、初のオンチップリチウムニオブ酸化物光パラメトリックオシレータ（OPO）を提案する。これにより、従来の統合プラットフォームと比較して400倍も低い～30 μWの超低閾値ポンプパワーを達成した。装置は93 μWのポンプパワーで11%のオンチップパワー変換効率を示し、ポンプ波長または温度制御により広帯域のチューニングが可能であり、コンactな効率的でスケーラブルな古典的および量子光デバイスの実現に貢献する。

ABSTRACT

Materials with strong $χ^{(2)}$ optical nonlinearity, especially lithium niobate, play a critical role in building optical parametric oscillators (OPOs). However, chip-scale integration of low-loss $χ^{(2)}$ materials remains challenging and limits the threshold power of on-chip $χ^{(2)}$ OPO. Here we report the first on-chip lithium niobate optical parametric oscillator at the telecom wavelengths using a quasi-phase matched, high-quality microring resonator, whose threshold power ($\sim$30 $μ$W) is 400 times lower than that in previous $χ^{(2)}$ integrated photonics platforms. An on-chip power conversion efficiency of 11% is obtained at a pump power of 93 $μ$W. The OPO wavelength tuning is achieved by varying the pump frequency and chip temperature. With the lowest power threshold among all on-chip OPOs demonstrated so far, as well as advantages including high conversion efficiency, flexibility in quasi-phase matching and device scalability, the thin-film lithium niobate OPO opens new opportunities for chip-based tunable classical and quantum light sources and provides an potential platform for realizing photonic neural networks.

研究の動機と目的

• 統合非線形材料を用いて、超低閾値パワーを持つオンチップ光パラメトリックオシレータ（OPO）を実現すること。
• 薄膜リチウムニオブ酸化物の強力な非線形特性を活用して、オンチップχ(2) OPOにおける高閾値パワーの課題を克服すること。
• スケーラブルで、量子的および古典的フォトニクス応用に適した、オンチッププラットフォーム上で高い変換効率と広帯域チューニングを実証すること。
• 薄膜LNにおける周期的ドメインエンジニアリングにより、柔軟な準位相一致を実現し、パラメトリック増幅を向上させること。
• 薄膜リチウムニオブ酸化物を統合非線形フォトニクスおよび量子フォトニクスの主要なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 準位相一致を実現するため、周期的ポーラライゼーションを施したリチウムニオブ酸化物マイクロリング共振器（PPLNMR）を用いてOPOを実装し、効率的なχ(2)パラメトリックダウンコンバージョンを実現する。
• ポンプ、信号、イジールモードがすべて高Qのマイクロリングに閉じ込められる三重共振構成を採用し、Qファクターは10^7～10^8の範囲にある。
• 理論的閾値ポンプパワーは、光損失とパラメトリック増幅のバランスから導出され、真空結合強度gとロードQファクター（Qp,1, Qs, Qi）を用いる。
• ポンプ波長とチップ温度を調整することで、広帯域のOPOチューニング帯域（180 nm、23 THz）を達成し、デジェネレート発振に到達する。
• 高い光閉じ込めと3モード間の強い空間的オーバーラップにより、真空結合強度gが向上し、閾値が低下する。
• プロセスには、位相一致に必要な周期的ポーラライゼーション構造を実現するため、薄膜リチウムニオブ酸化物における高精度な周期的ドメインエンジニアリングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜リチウムニオブ酸化物を用いたオンチップχ(2)光パラメトリックオシレータは、既存の統合プラットフォームと比較して顕著に低い閾値パワーで実現可能か？
• RQ2 PPLNMRベースのOPOにおいて、低ポンプパワー下で達成可能な最大オンチップパワー変換効率はどの程度か？
• RQ3 ポンプ波長および温度制御により、OPO出力のチューニングはどの程度可能か？
• RQ4 薄膜LNにおける高Qファクターと準位相一致の組み合わせが、パラメトリック増幅をどのように向上させ、閾値を低下させるか？
• RQ5 このプラットフォームは、スケーラブルでコンパクトかつ広帯域チューナブルな古典的および量子フォトニクス応用用の光源をサポートできるか？

主な発見

• OPOは記録的な低閾値ポンプパワー～30 μWを達成し、従来の統合χ(2)プラットフォームと比較して400倍の改善を示した。
• 93 μWのポンプパワーで11%のオンチップパワー変換効率を達成し、高いエネルギー効率を示した。
• ポンプ波長をわずか5 nm（2.5 THz）変更するだけで、180 nm（23 THz）のチューニング帯域を達成した。
• 温度チューニングにより信号およびイジール波長の微細な制御が可能であり、最適温度約100 °CでデジェネレートOPOが達成された。
• 高いQファクター（10^7～10^8）と強いモードオーバーラップにより、強化された真空結合を通じて効率的なパラメトリック発振が実現された。
• ドメインエンジニアリングによる柔軟な準位相一致が可能であり、スケーラブルかつ再構成可能な非線形フォトニクスを支援するプラットフォームを提供した。