[논문 리뷰] AlGaAs-On-Insulator Nonlinear Photonics

Minhao Pu, Luisa Ottaviano외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 11.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 36인용 수 108

한 줄 요약

이 논문은 광학적 비선형성 통합 장치로서 AlGaAs-on-insulator를 고성능 플랫폼으로 구현하여 기록적인 낮은 임계값 3 mW로 광학적 매개변수 진동을 달성하고, Q 인자가 100,000을 초과하는 마이크로 공진기에서 350 nm의 주파수 조합을 생성함으로써 통신 파장에서 효율적인 킬러 주파수 조합 생성을 가능하게 한다. 이는 고도로 발전된 제조 공정을 통해 이전에 극복하기 어려웠던 처리 및 효과적 비선형성 문제를 해결함으로써 달성되었다.

ABSTRACT

The combination of nonlinear and integrated photonics has recently seen a surge with Kerr frequency comb generation in micro-resonators as the most significant achievement. Efficient nonlinear photonic chips have myriad applications including high speed optical signal processing, on-chip multi-wavelength lasers, metrology, molecular spectroscopy, and quantum information science. Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) exhibits very high material nonlinearity and low nonlinear loss when operated below half its bandgap energy. However, difficulties in device processing and low device effective nonlinearity made Kerr frequency comb generation elusive. Here, we demonstrate AlGaAs-on-insulator as a nonlinear platform at telecom wavelengths. Using newly developed fabrication processes, we show high-quality-factor (Q>100,000) micro-resonators with integrated bus waveguides in a planar circuit where optical parametric oscillation is achieved with a record low threshold power of 3 mW and a frequency comb spanning 350 nm is obtained. Our demonstration shows the huge potential of the AlGaAs-on-insulator platform in integrated nonlinear photonics.

연구 동기 및 목표

• 효율적인 주파수 조합 생성을 위한 고성능 통합 비선형 광학 플랫폼으로 AlGaAs-on-insulator를 개발하기.
• 이전에 AlGaAs에서 킬러 주파수 조합 생성을 저해하던 장치 가공 및 낮은 효과적 비선형성 문제를 극복하기.
• 높은 품질 인자 마이크로 공진기와 통합된 버스 웨이브가이드를 갖춘 설계를 통해 비선형 상호작용을 향상시키기.
• 통신 파장에서 저임계 주파수 조합 및 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖춘 주파수 조합을 구현하기.
• AlGaAs-on-insulator를 광신호 처리, 미세측정 및 양자정보 분야의 실용적 응용을 위한 실현 가능한 플랫폼으로 정립하기.

제안 방법

• 높은 물질 비선형성과 밴드 갭 에너지의 절반 이하에서 낮은 비선형 손실을 갖는 AlGaAs-on-insulator 기반 소재의 활용.
• 통합된 버스 웨이브가이드를 갖춘 고품질 인자(Q > 100,000) 마이크로 공진기를 실현하기 위한 신규 제조 공정 개발.
• 마이크로 공진기 내에서 효율적인 커플링 및 비선형 상호작용을 지원하는 평면 광학 회로 설계.
• 기존 광통신 시스템과의 호환성을 확보하기 위해 통신 파장에서 장치를 작동시키기.
• 펌프 레이저를 사용하여 킬러 비선형성을 자극하고 매개변수 진동 및 주파수 조합 형성을 유도하기.
• 주파수 조합의 스펙트럼 대역폭과 매개변수 진동의 임계 전력 측정을 위해 스펙트럼 특성 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AlGaAs-on-insulator는 통신 파장에서 비선형 광학에 적합한 고품질 인자 마이크로 공진기를 제공할 수 있는가?
• RQ2 AlGaAs-on-insulator 마이크로 공진기에서 광학적 매개변수 진동을 달성하기 위해 필요한 최소 펌프 전력은 얼마인가?
• RQ3 이 플랫폼에서 350 nm 이상의 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 주파수 조합을 저임계 전력으로 생성할 수 있는가?
• RQ4 이전의 AlGaAs 기반 플랫폼과 비교해 효과적 비선형성과 장치 품질은 어떻게 되는가?
• RQ5 AlGaAs-on-insulator 플랫폼은 광신호 처리 및 양자 기술 분야의 실용적 응용을 어느 정도 지원할 수 있는가?

주요 결과

• AlGaAs-on-insulator 마이크로 공진기에서 기록적인 낮은 임계 전력 3 mW로 광학적 매개변수 진동을 달성하였다.
• 350 nm의 스펙트럼 대역폭을 갖는 주파수 조합이 생성되어 넓은 스펙트럼 대역폭과 높은 간섭성의 특성을 입증하였다.
• 마이크로 공진기는 100,000을 초과하는 품질 인자를 나타내어 낮은 전파 손실과 높은 에너지 봉쇄 능력을 보였다.
• 높은 물질 비선형성과 밴드 갭 에너지의 절반 이하에서 낮은 비선형 손실 덕분에 효율적인 비선형 상호작용이 가능했다.
• 평면 회로 설계에 통합된 버스 웨이브가이드 덕분에 공진기로의 안정적이고 효율적인 커플링이 실현되었다.
• 결과적으로 AlGaAs-on-insulator는 향후 통합 비선형 광학 장치를 위한 매우 유망한 플랫폼으로 입증되었다.