[논문 리뷰] Fundamental charge noise in electro-optic photonic integrated circuits

Junyin Zhang, Zihan Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 29.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오브산염 및 탄탈레이트 기반 전기광학 광집적회로에서 열역학적 운반자 농도 변동에 의해 유도되는 기본 전하 노이즈—주파수 변동이 $1/f^{1.2}$ 비례로 나타나는 현상—을 규명한다. 이 노이즈는 강한 포켈 효과를 통해 변환되며, 전통적인 열역학적 굴절률 노이즈가 간섭성 상쇄되어 발생함으로써 주로 주로 노이즈 원천이 되며, 포켈 기반 광학 장치에서 존슨-니쿨슨 노이즈가 궁극적 한계임을 입증한다.

ABSTRACT

Understanding thermodynamical measurement noise is of central importance for electrical and optical precision measurements from mass-fabricated semiconductor sensors, where the Brownian motion of charge carriers poses limits, to optical reference cavities for atomic clocks or gravitational wave detection, which are limited by thermorefractive and thermoelastic noise due to the transduction of temperature fluctuations to the refractive index and length fluctuations. Here, we discover that unexpectedly charge carrier density fluctuations give rise to a novel noise process in recently emerged electro-optic photonic integrated circuits. We show that Lithium Niobate and Lithium Tantalate photonic integrated microresonators exhibit an unexpected Flicker type (i.e. $1/f^{1.2}$) scaling in their noise properties, significantly deviating from the well-established thermorefractive noise theory. We show that this noise is consistent with thermodynamical charge noise, which leads to electrical field fluctuations that are transduced via the strong Pockels effects of electro-optic materials. Our results establish electrical Johnson-Nyquist noise as the fundamental limitation for Pockels integrated photonics, crucial for determining performance limits for both classical and quantum devices, ranging from ultra-fast tunable and low-noise lasers, Pockels soliton microcombs, to quantum transduction, squeezed light or entangled photon-pair generation. Equally, this observation offers optical methods to probe mesoscopic charge fluctuations with exceptional precision.

연구 동기 및 목표

• 반도체 물질 기반 전기광학 광집적회로에서 이전에 관측되지 않은 노이즈 메커니즘을 규명하고 특성화하는 것.
• 이론적으로만 제기된 열역학적 전하 노이즈가 실질적인 전기광학 마이크로공진기에서 실제로 나타나는지 확인하는 것.
• 통합 광학 장치의 궁극적 성능 한계를 결정짓는 데 있어 전하 노이즈와 전통적인 열역학적 굴절률 노이즈 간의 상대 기여도를 평가하는 것.
• 포켈 기반 통합 광학 장치에서 존슨-니쿨슨 노이즈가 궁극적 한계로 작용하는 역할을 확립하는 것.
• 이러한 장치를 통해 고정밀한 광학 측정을 통해 미세구조 전하 변동을 정밀하게 탐지할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 고정밀도 파이프라인 파동장치를 사용하여 주파수 노이즈를 1 Hz 이하의 해상도로 측정하기 위해 균형형 하모닉 인터페로미터를 활용하고, 고피니스 파이브-페로트 공진기를 위상 기준으로 사용함.
• 외부 공진기 다이오드 레이저를 PDH-락하고 웨이브미터를 사용하여 10 kHz ~ 10 MHz 대역에서 공진 주파수 변동을 추적함.
• 강도 변조된 풍자 레이저와 사이드밴드 탐측을 통해 공진기의 비선형 응답을 강제로 자극하고, 공명 전달 함수를 추출함.
• DFB 레이저를 마이크로공진기로 자가주입 락킹하고 이방향 비트 신호 검출을 통해 고해상도 위상 노이즈 분석을 수행함.
• 복소 응답 함수 측정을 위해 벡터 네트워크 분 析를 적용하여 노이즈 스펙트럼 조밀도 추출 가능.
• 이론적 모델링은 피로전기 및 전기광학 비선형성을 고려하여, 피로전기-전기광학 효과(PyroEO)로 인해 열역학적 굴절률 노이즈가 간섭성 상쇄됨을 보여줌.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학적 전하 운반자 농도 변동이 전기광학 마이크로공진기에서 측정 가능한 광주파수 노이즈를 유도하는가?
• RQ2 리튬니오브산염 및 리튬탄탈레이트 마이크로공진기에서 관측된 $1/f^{1.2}$ 유형의 노이즈가 기존의 열역학적 굴절률 노이즈 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 반도체 물질의 피로전기 및 전기광학 비선형성이 열역학적 굴절률 노이즈의 간섭성 상쇄에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 공진기 주파수 노이즈 측정을 통해 고감도로 미세구조 전하 변동을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 포켈 기반 통합 광학 장치에서 전하 노이즈가 유도하는 궁극적 성능 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 리튬니오브산염 및 탄탈레이트 기반 전기광학 마이크로공진기에서 10 kHz ~ 10 MHz 대역에서 $1/f^{1.2}$ 유형의 노이즈 스펙트럼을 관측하였으며, 이는 기존의 열역학적 굴절률 노이즈 예측과 상당히 다름.
• 관측된 노이즈는 강한 포켈 효과를 통해 변환된 열역학적 전하 운반자 농도 변동에 기인함.
• 피로전기 및 전기광학 비선형성의 조합으로 인해 열역학적 굴절률 노이즈가 간섭성 상쇄되어 전하 노이즈가 주요 노이즈 원천이 됨.
• 결과적으로 포켈 기반 통합 광학 장치에서 존슨-니쿨슨 노이즈가 궁극적 한계임을 입증하였으며, 초고속 레이저부터 양자 변환 응용까지 영향을 미침.
• 관측된 노이즈 수준은 이전에 관측되지 않은 열전하운반자굴절(Thermal-Charge-Carrier-Refraction, TCCR) 노이즈 이론 예측과 일치함.
• 이러한 발견은 고Q 전기광학 마이크로공진기를 고체계에서의 미세구조 전하 역학을 정밀하게 탐지하는 도구로 활용할 수 있는 길을 열어줌.