[논문 리뷰] Gallium Phosphide Nonlinear Photonics

Dalziel J. Wilson, K. Schneider외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 10.

Photonic and Optical Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 비선형 광학을 위한 새로운 통합 광학 플랫폼으로 GaP-on-insulator를 소개하며, 저손실 웨이브가이드(1.2 dB/cm)와 고-Q 리어터 컨덴서를 구현한다. 직접 웨이퍼 복합 기술을 통해 GaP의 비선형 굴절률(n₂ = 1.2(5)×10⁻¹⁷ m²/W)을 직접 실험적으로 측정하였으며, 3 mW 이하의 낮은 임계값으로 킬러 주파수 커브 생성과 함께 서브-THz 간격 및 광역 작동(>100 nm)을 실현하였고, 효율적인 라만 레이저 작동도 구현하였다.

ABSTRACT

Gallium phosphide (GaP) is an indirect bandgap semiconductor used widely in solid-state lighting. Despite numerous intriguing optical properties---including large $\chi^{(2)}$ and $\chi^{(3)}$ coefficients, a high refractive index ($>3$), and transparency from visible to long-infrared wavelengths ($0.55-11\,\mu$m)---its application as an integrated photonics material has been little studied. Here we introduce GaP-on-insulator as a platform for nonlinear photonics, exploiting a direct wafer bonding approach to realize integrated waveguides with 1.2 dB/cm loss in the telecommunications C-band (on par with Si-on-insulator). High quality $(Q> 10^5)$, grating-coupled ring resonators are fabricated and studied. Employing a modulation transfer approach, we obtain a direct experimental estimate of the nonlinear index of GaP at telecommunication wavelengths: $n_2=1.2(5) imes 10^{-17}\, ext{m}^2/ ext{W}$. We also observe Kerr frequency comb generation in resonators with engineered dispersion. Parametric threshold powers as low as 3 mW are realized, followed by broadband ($>100$ nm) frequency combs with sub-THz spacing, frequency-doubled combs and, in a separate device, efficient Raman lasing. These results signal the emergence of GaP-on-insulator as a novel platform for integrated nonlinear photonics.

연구 동기 및 목표

• GaP-on-insulator를 통합 비선형 광학 플랫폼으로 실현 가능하게 하는 것.
• 큰 χ⁽²⁾ 및 χ⁽³⁾ 계수와 높은 굴절률 등 유리한 광학적 성질을 지닌 GaP의 연구가 제한된 점을 극복하는 것.
• 기존의 Si-on-insulator 플랫폼 수준의 저손실 GaP 웨이브가이드를 달성하는 것.
• 통신 파장에서 GaP의 비선형 굴절률(n₂)을 실험적으로 측정하는 것.
• GaP 리어터 컨덴서에서 낮은 임계값의 킬러 주파수 커브 생성과 라만 레이저 작동을 구현하는 것.

제안 방법

• 고정결정 품질을 갖춘 GaP-on-insulator 기판을 직접 웨이퍼 복합 기술로 제작하였다.
• Q 인자가 10⁵를 초과하는 격자 커플링 리어터 컨덴서를 제작하였다.
• C 대역 파장에서 GaP의 비선형 굴절률(n₂)을 직접 측정하기 위해 변조 전달 기술을 사용하였다.
• 킬러 주파수 커브 생성을 가능하게 하기 위해 리어터 컨덴서의 분산을 설계하였다.
• 광대역 스펙트럼 분석기를 사용해 주파수 커브 스펙트럼을 측정하고 간격 및 대역폭을 분석하였다.
• 최적화된 분산 조건과 펌프 조건을 갖춘 별도의 장치에서 라만 레이저 실험을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaP-on-insulator는 저손실을 갖춘 통합 비선형 광학 플랫폼으로 실현 가능할 수 있는가?
• RQ2 통신 파장에서 GaP의 비선형 굴절률(n₂)의 실험 측정값은 얼마인가?
• RQ3 GaP-on-insulator 리어터 컨덴서에서 킬러 주파수 커브 생성에 필요한 임계 출력 전력은 얼마인가?
• RQ4 설계된 분산을 갖춘 GaP 컨덴서에서 광역, 서브-THz 간격 주파수 커브를 생성할 수 있는가?
• RQ5 GaP-on-insulator 웨이브가이드 컨덴서에서 효율적인 라만 레이저 작동이 가능한가?

주요 결과

• GaP-on-insulator 웨이브가이드는 C 대역에서 1.2 dB/cm의 전파 손실을 달성하여 기존 실리콘-온-인슐레이터 플랫폼과 유사한 수준을 확보하였다.
• 통신 파장에서 GaP의 비선형 굴절률은 직접 측정 결과 n₂ = 1.2(5)×10⁻¹⁷ m²/W로 도출되었다.
• 설계된 컨덴서에서 킬러 주파수 커브 생성의 임계 전력이 3 mW로 매우 낮게 확보되었다.
• 100 nm 이상의 광역 범위에서 서브-THz 간격 주파수 커브가 관측되어 높은 일관성과 낮은 위상 노이즈를 나타내었다.
• 주파수 두배기 주파수 커브가 생성되어 GaP 플랫폼에서 효율적인 2차 고조파 발생이 입증되었다.
• 별도의 GaP-on-insulator 장치에서 효율적인 라만 레이저 작동이 입증되어 플랫폼의 온칩 빛 소스 잠재력이 확인되었다.