[논문 리뷰] An on-chip diamond optical parametric oscillator

Birgit J. M. Hausmann, İrfan Bulu외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 04.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 결정 다이아몬드 마이크로링 공진기에서의 4파면 혼합을 이용한 최초의 칩 내 다이아몬드 광학 파arametric 오실레이터를 보여준다. Q 인자가 약 1×10⁶에 가까운 상태에서 장치는 최소 20 mW의 임계값을 가지며, 100 mW 이하의 펌프 전력으로 165 nm 대역폭 범위에 걸쳐 최대 20개의 사이드밴드를 생성하여 통신 대역에서 효율적인 칩 내 비선형 광학을 실현한다.

ABSTRACT

Efficient, on-chip optical nonlinear processes are of great interest for the development of compact, robust, low-power consuming systems for applications in spectroscopy, metrology, sensing and classical and quantum optical information processing. Diamond holds promise for these applications, owing to its exceptional properties. However, although significant progress has been made in the development of an integrated diamond photonics platform, optical nonlinearities in diamond have not been explored much apart from Raman processes in bulk samples. Here, we demonstrate optical parametric oscillations (OPO) via four wave mixing (FWM) in single crystal diamond (SCD) optical networks on-chip consisting of waveguide-coupled microring resonators. Threshold powers as low as 20mW are enabled by ultra-high quality factor (1*10^6) diamond ring resonators operating at telecom wavelengths, and up to 20 new wavelengths are generated from a single-frequency pump laser. We also report the inferred nonlinear refractive index due to the third-order nonlinearity in diamond at telecom wavelengths.

연구 동기 및 목표

• 통합 비선형 광학을 위한 다이아몬드의 뛰어난 비선형성과 열적 특성을 활용하여, 단일 결정 다이아몬드(Single-crystal diamond, SCD)에서 4파면 혼합(Four-wave mixing, FWM)을 이용한 칩 내 광학 파arametric 오실레이션(OPO)을 구현하는 것.
• 작고 견고한 광학 시스템에서 저임계, 고효율 주파수 변환을 실현하기 위해 다이아몬드의 뛰어난 비선형성과 열적 특성을 활용하는 것.
• 통신 파장 영역에서 고Q 마이크로링 공진기를 이용하고 파동도 분산을 설계하여 저임계 파arametric 오실레이션을 달성하는 것.
• 통신 파장에서 다이아몬드의 삼차 비선형 굴절률(n₂)을 실험적으로 유추하여 비선형 반응의 정량적 특성 분석을 수행하는 것.
• 통합 비선형 광학을 통해 다이아몬드 기반 칩 내 주파수 복합체와 양자-고전적 인터페이스 플랫폼의 가능성 탐색하기

제안 방법

• 유도 결합 플라즈마 반응 이온 에칭(ICP-RIE)과 전자선 리소그래피를 이용하여 SiO₂/Si 기판 상에 단일 결정 다이아몬드(Single-crystal diamond, SCD) 마이크로링 공진기를 제작하는 것.
• 빛의 칩 내외로 효율적인 커플링을 위해 SU-8 고분자 패드를 이용한 서서히 퇴적되는 파동도를 통합하는 것.
• 모서리 연마 및 장치 보호를 위해 플라즈마 증착 화학 기상 증착(PECVD)을 이용해 3 µm 두께의 실리카 캡 층을 증착하는 것.
• 유한요소법(COMSOL) 시뮬레이션을 활용하여 파동도 및 링 공진기의 분산을 모델링하고, 측정된 SiO₂ 및 PECVD 산화물의 광학적 특성을 반영하는 것.
• 3D FDTD 시뮬레이션을 통해 버스 파동도와 링 공진기 간의 커플링 갭을 최적화하여 Q_c > 5×10⁵를 달성하는 것.
• 다이아몬드의 χ⁽³⁾ 비선형성을 활용하여 4파면 혼합(FWM)을 실현하고, 두 개의 펌프 광자에서 에너지 및 운동량 보존 법칙에 따라 신호 및 아이디어 광자를 생성하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통신 파장에서 4파면 혼합을 이용해 단일 결정 다이아몬드에서 칩 내 광학 파arametric 오실레이션을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고Q 다이아몬드 마이크로링 공진기에서 파arametric 오실레이션을 위한 임계 펌프 전력은 얼마인가?
• RQ3 통신 파장에서 다이아몬드의 비선형 굴절률(n₂)에 대한 실험적으로 추정된 값은 얼마인가?
• RQ4 파동도 기하구조를 얼마나 설계하여 다이아몬드에서 비정상적인 군속도 분산(GVD)을 달성할 수 있으며, FWM 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 흡수 손실과 열적 효과는 다이아몬드 기반 칩 내 비선형 장치 성능을 얼마나 제한하며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 칩 내 단일 결정 다이아몬드 마이크로링 공진기에서 광학 파arametric 오실레이션을 성공적으로 구현하였으며, 임계 펌프 전력은 최소 20 mW였다.
• 공진기에서 Q 인자가 약 1×10⁶에 도달하여 강한 광학 강도 증폭과 저임계 FWM를 가능하게 하였다.
• 펌프 전력이 100 mW 이하일 때 165 nm 파장 스펙트럼 범위에 걸쳐 최대 20개의 사이드밴드를 생성하여 광범위한 주파수 변환 능력을 보였다.
• 모든 사이드밴드에 생성된 총 전력은 펌프 전력의 최대 1.1%에 도달하였으며, Si₃N₄와 같은 다른 통합 비선형 플랫폼과 유사한 성능을 보였다.
• 통신 파장에서 다이아몬드의 비선형 굴절률을 유추한 결과 (8.2 ± 3.5)×10⁻²⁰ m²/W로 측정되어 강력한 χ⁽³⁾ 비선형성을 확인하였다.
• 열적 효과와 흡수 손실(주로 PECVD 산화물과 표면 상태에서 기인)이 현재의 제한 요소로 확인되었으며, 향후 분산 설계 최적화와 손실 감소를 통해 더 높은 Q 인자와 주파수 복합체 생성이 가능할 것으로 예상된다.