[논문 리뷰] Garnet-free optical circulators monolithically integrated on spatially modified III-V quantum wells

Parinaz Aleahmad, Mercedeh Khajavikhan외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 22.

Magneto-Optical Properties and Applications참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 공간적으로 설계된 III-V 반도체 양자우물에서 단일체로 통합된 칩스케일, 흑연산이 없는 광 순환기의 구현을 제시한다. 물질 내 탄력적인 비헤르미티안 및 비선형 효과를 활용하여 단방향 빛 유도를 실현한다. 장치는 1550 nm에서 2.5 THz 대역폭 범위 내에서 23 dB의 고립도를 달성하며, 낮은 손실과 높은 색상 유지 능력을 보이며, 부피가 큰 자성 광학 성분에 의존하지 않는 칩 내 광학 통합을 위한 실현 가능한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Optical circulators are indispensable components in photonic networks that are aimed to route information in a unidirectional way among their N-ports1,2. In general, these devices rely on magneto-optical garnets3 with appreciable Verdet constants that are utilized in conjunction with other elements like permanent magnets, wave-plates, birefringent crystals and/or beam splitters. Consequently, these arrangements are typically bulky and hence not conducive to on-chip photonic integration4-6. Of interest would be to devise strategies through which miniaturized optical circulators can be monolithically fabricated on light-emitting semiconductor platforms by solely relying on physical properties that are indigenous to the material itself. By exploiting the interplay between non-Hermiticity and nonlinearity, here we demonstrate a new class of chip-scale circulators on spatially modified III-V quantum well systems. These garnet-free unidirectional structures are broadband (over 2.5 THz) at 1550 nm, effectively loss-free, color-preserving, and in proof-of-principle demonstrations have provided 23 dB isolation when used under pulsed-mode conditions at milliwatt (mW) power levels.

연구 동기 및 목표

• 칩 내 광학 통합을 위한 부피가 큰 자성 광학 성분인 흑연산 기반 광 순환기에서의 의존도를 제거하기 위해.
• III-V 양자우물의 내재된 물리적 성질만을 사용하여 소형이고 단일체 광 순환기를 개발하기 위해.
• 외부 자기장이나 복잡한 광학 요소 없이 넓은 대역폭, 낮은 손실, 색상 유지 능력이 있는 단방향 빛 유도를 달성하기 위해.
• 기본적인 III-V 반도체 플랫폼을 사용하여 실용적이고 확장 가능한 광학 네트워크 솔루션을 제시하기 위해.

제안 방법

• 비선형 및 비헤르미티안 광학 반응을 조절하기 위해 공간적으로 수정된 III-V 양자우물 구조에서 장치를 제작한다.
• 비헤르미티안은 양자우물 이종구조에서의 증폭 및 감쇠 조절을 통해 공학적으로 설계되어 비대칭 빛 전파를 가능하게 한다.
• 비선형성은 강도에 따라 변하는 위상 이동을 활용하여 방향성과 고립도를 향상시킨다.
• 외부 자석이나 흑연산 기반 재료 없이 내재된 물질 성질에만 의존한다.
• 설계는 1550 nm 중심의 넓은 대역폭(2.5 THz)에서 작동하며, 전파 손실이 최소화된다.
• 밀리와트 수준의 펄스 모드에서의 작동 조건이 실제 조건에서의 고립도 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일체 III-V 반도체 플랫폼에서 자성 광학 성분인 흑연산이 없는 광 순환기를 실현할 수 있는가?
• RQ2 양자우물 내 비헤르미티안 및 비선형 효과를 어떻게 공학적으로 조절하여 단방향 빛 유도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 흑연산이 없는 칩 내 광 순환기의 구현 가능한 대역폭과 고립도 성능는 어느 정도인가?
• RQ4 이러한 장치는 넓은 스펙트럼 범위에서 색상 유지 능력과 낮은 손실을 유지를 할 수 있는가?
• RQ5 밀리완트 수준의 펄스 입력 조건과 같은 실용적 작동 조건에서도 성능이 안정적인가?

주요 결과

• 밀리완트 수준의 입력 전력에서 펄스 모드 작동 조건에서 23 dB의 고립도를 달성하여 효과적인 단방향 빛 유도를 입증한다.
• 장치는 1550 nm 중심의 넓은 대역폭 2.5 THz에서 작동하여 광역 스펙트럼 호환성을 확보한다.
• 시스템은 효과적으로 손실이 없으며, 대역폭 전체에 걸쳐 입력 신호의 스펙트럼 내용을 유지한다.
• 장치는 III-V 양자우물에서 완전히 단일체로 제작되어 자석이나 분할기와 같은 외부 구성 요소가 필요 없도록 한다.
• 장치는 흑연산 기반 자성 광학 재료 없이 내재된 물질 성질인 비헤르미티안과 비선형성에만 의존한다.
• 원리적 실현 가능성을 입증하는 실험 결과는 칩스케일, 소형, 확장 가능한 광학 순환기를 광학 통합 회로에 적용하기 위한 가능성을 확인한다.