[논문 리뷰] Compact, spatial-mode-interaction-free, ultralow-loss, nonlinear photonic integrated circuits

Xinru Ji, Junqiu Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 14.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공간 모드 간 상호작용을 억제하는 유럽 곡선(Euler bends)을 특징으로 하는 컴act하고 초저손실, 비선형 실리카 뉴트라이드 광집적 회로를 제시한다. 이로 인해 0.21 mm²의 크기로 19.8 GHz의 자유 스펙트럼 범위를 가진 레이서택 마이크로레조너를 실현하였다. 이 설계는 복잡한 튜닝 없이도 19.8 GHz 반복 주기에서 단일 소산적 킬러 솔리톤 작동을 달성하였으며, 분산 프로파일과 광학 손실률이 15.5 MHz로 유지되어 효과적인 단서적 모드 변환을 실현하였다.

ABSTRACT

Nonlinear photonics based on integrated circuits has enabled applications such as parametric amplifiers, soliton frequency combs, supercontinua, and non-reciprocal devices. Ultralow optical loss and the capability for dispersion engineering are essential, which necessitate the use of multi-mode waveguides. Despite that rich interaction among different spatial waveguide eigenmodes can give rise to novel nonlinear phenomena, spatial mode interaction is typically undesired as it increases optical loss, perturbs local dispersion profile, and impedes soliton formation. Adiabatic bends, such as Euler bends whose curvature varies linearly with their path length, have been favoured to suppress spatial mode interaction. Adiabatic bends can essentially connect any two waveguide segments with adiabatic mode conversion, thus efficiently avoid mode mixing due to mode mismatch. However, previous works lack quantitative measurement data and analysis to fairly evaluate the adiabaticity, and are not based on photonic integrated circuits with tight optical confinement and optical losses of few dB/m. Here, we adapt, optimize, and implement Euler bends to build compact racetrack microresonators based on ultralow-loss, multi-mode, silicon nitride photonic integrated circuits. The racetrack microresonators feature a small footprint of only 0.21 mm^2 for 19.8 GHz FSR. We quantitatively investigate the suppression of spatial mode interaction in the racetrack microresonators with Euler bends. We show that the optical loss rate (15.5 MHz) is preserved, on par with the mode interaction strength (25 MHz). This results in an unperturbed microresonator dispersion profile. We further demonstrate single soliton of 19.8 GHz repetition rate. The optimized Euler bends and racetrack microresonators can be key building blocks for integrated nonlinear photonic systems, programmable processors and photonic quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 다중 모드이면서 초저손실인 광집적 회로에서 발생하는 공간 모드 간 상호작용 문제를 해결함으로써 비선형 광학 장치의 성능 저하를 방지하고자 한다.
• 최소한의 면적을 차지하면서도 낮은 광학 손실과 손상되지 않은 분산 특성을 유지하는 고성능 레이서택 마이크로레조너 설계를 개발하고자 한다.
• 유럽 곡선를 활용하여 보조 레이저나 복잡한 튜닝 없이도 0.25 mm² 이하의 마이크로레조너에서 안정적인 단일 소산적 킬러 솔리톤 작동을 실현하고자 한다.
• 피에조전기 모듈레이터와의 호환성을 향상시키고 장치 면적을 줄여 비선형 및 선형 광학 컴포넌트의 고밀도 통합을 가능하게 하고자 한다.

제안 방법

• 경로 길이에 따라 선형적으로 변하는 곡률을 가지는 유럽 곡선를 도입하고 최적화하여 직선 웨이브가이드와 굴절 구간 간의 단서적 모드 변환을 실현하였다.
• 고비율의 고해상도 및 소형 면적을 확보하기 위해 심층 자외선(DUV) 스테퍼 리소그래피 기법을 사용하여 초저손실, 다중 모드 실리카 뉴트라이드 레이서택 마이크로레조너를 설계 및 제작하였다.
• 다양한 곡선 유형에서의 모드 변환 효율성과 공간 모드 간 상호작용 억제 정도를 정량화하기 위해 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 제작된 장치의 광학 손실률과 솔리톤 형성 특성을 측정하였으며, 동일 조건에서 유럽 곡선형과 원형 곡선형 마이크로레조너를 비교 분석하였다.
• 위상 노이즈 측정과 반복 주기 튜닝을 통해 솔리톤의 안정성과 산란파 방출의 부재를 평가하였다.
• 레이서택 기하구조의 긴 길이 대 스파너 비율을 활용하여 직선 웨이브가이드 섹션에 의해 지배되는 정확한 분산 프로파일 계산이 가능하도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유럽 곡선는 초저손실, 다중 모드 실리카 뉴트라이드 광집적 회로에서 공간 모드 간 상호작용을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 모드 간 상호작용 억제는 마이크로레조너의 분산 프로파일과 광학 손실률을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ3 유럽 곡선를 갖춘 컴팩트한 레이서택 마이크로레조너는 보조 레이저나 복잡한 튜닝 없이도 안정적인 단일 소산적 킬러 솔리톤 작동을 지원할 수 있는가?
• RQ4 유럽 곡선를 적용한 레이서택 마이크로레조너의 면적은 기존 설계와 비교해 어떻게 다른가? 이는 광학 통합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 단서적 모드 변환은 컴팩트 플랫폼에서 고성능 비선형 광학 회로를 실현하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제작된 레이서택 마이크로레조너는 면적 0.21 mm², 자유 스펙트럼 범위 19.8 GHz를 확보하여 이전의 마이크링 기반 솔리톤 장치 대비 크기가 20배 감소하였다.
• 광학 손실률은 15.5 MHz로 측정되었으며, 이는 25 MHz 수준의 모드 간 상호작용 강도와 유사하여 분산 프로파일의 최소한의 훼손을 확인하였다.
• 보조 레이저나 복잡한 레이저 튜닝 방식 없이도 19.8 GHz 반복 주기에서 단일 소산적 킬러 솔리톤이 생성되었다.
• 위상 노이즈 측정 결과 강한 조용한 지점이 관측되지 않아, 피하기 모드 공진이 없고 모드 간 상호작용이 감소함에 따라 산란파 방출이 억제된 것으로 나타났다.
• FDTD 시뮬레이션을 통해 고곡률에서도 최소한의 모드 혼합이 발생하는 것으로 확인되어, 유럽 곡선 설계가 효과적인 단서적 모드 변환을 가능하게 했다.
• DUV 스테퍼 리소그래피 기법을 활용함으로써 고비율, 소형 장치 제작이 가능해졌으며, 전자빔 리소그래피의 한계와 스티칭 오류 문제를 극복하였다.