[논문 리뷰] Inverse-designed photonic circuits for fully passive, bias-free Kerr-based nonreciprocal transmission and routing

Ki Youl Yang, Jinhie Skarda외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 13.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 46인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 역설계된 Fano 반사체와 연쇄된 Fano-Lorentzian 공진기를 사용하여 실리콘 포토닉스에서 완전히 수동적이고 편향 없는 Kerr 비대칭 전송 및 라우팅을 구현하고, broad NRIR를 갖춘 높은 순방향 전송과 온칩 LIDAR 시연을 달성합니다.

ABSTRACT

Nonreciprocal devices such as isolators and circulators are key enabling technologies for communication systems, both at microwave and optical frequencies. While nonreciprocal devices based on magnetic effects are available for free-space and fibre-optic communication systems, their on-chip integration has been challenging, primarily due to the concomitant high insertion loss, weak magneto-optical effects, and material incompatibility. We show that Kerr nonlinear resonators can be used to achieve all-passive, low-loss, bias-free, broadband nonreciprocal transmission and routing for applications in photonic systems such as chip-scale LIDAR. A multi-port nonlinear Fano resonator is used as an on-chip, all-optical router for frequency comb based distance measurement. Since time-reversal symmetry imposes stringent limitations on the operating power range and transmission of a single nonlinear resonator, we implement a cascaded Fano-Lorentzian resonator system that overcomes these limitations and significantly improves the insertion loss, bandwidth and non-reciprocal power range of current state-of-the-art devices. This work provides a platform-independent design for nonreciprocal transmission and routing that are ideally suited for photonic integration.

연구 동기 및 목표

• Magnet 없이 또는 외부 변조 없이 칩온에서 비대칭 광소자를 동기화하고 활성화하는 것을 목표로 합니다.
• Kerr 기반의 모든 수동적 비대칭 전송 및 라우팅을 실리콘 포토닉스에서 설계하고 시연합니다.
• 전통적인 단일 공진기의 대역폭-전송 트레이드오프를 계단식 비선형 공진기를 통해 완화합니다.

제안 방법

• 포토닉스 역설계(SPINS)를 사용해 실리콘 라운드트랙 공진기에 Fano 공진을 생성하는 역설계 반사체를 만듭니다.
• 전방/후방 대칭을 깨기 위해 비대칭 커플링을 구현하여 전송 스펙트로시에서 비대칭성을 달성합니다.
• 기본 TNRIR 경계를 검증하기 위해 단일 Fano 공진기 장치를 특성화합니다.
• 패 lithographically 제어된 위상 지연을 가진 로렌츠 공진기와 함께 Fano 공진기를 계단식으로 연결해 작동 대역폭을 확장하면서도 높은 순방향 전송을 유지합니다.
• 펄스 및 주파수-콤 기반 설정에서 비대칭 소자의 온칩 라우팅 및 광 거리 측정(LIDAR)을 시연합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 케르 비선형 실리콘 공진기가 편향 없는 모든 수동 비대칭성을 통합광학에 적합하게 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 공진기 케르 비대칭 소자의 실제 성능(삽입 손실, NRIR, 대역폭)은 어떠하며, 계단식 공진기로 개선될 수 있는가?
• RQ3 역설계가 칩 규모 응용 예인 LIDAR와 같은 용도를 위한 견고하고 광대역의 저손실 비대칭성 및 라우터 가능성을 제공하는가?
• RQ4 소자가 고속 펄스 작동을 지원하고 기능적 광 거리 측정 시스템에 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 실리콘에서의 Fano 비대칭 소자는 순방향-후방 전송 대비를 최대 24.7 dB로 달성(최소 13.4 dB), 1.3 dB 삽입 손실 및 3.9 dB NRIR를 4.55–8.15 dBm 로드된 전력 범위에서 달성합니다.
• 단일 공진기 소자가 실험적으로 기본 경계 T ≤ 4·NRIR/(NRIR+1)^2를 준수하는 것으로 나타나 순방향 전송과 NRIR 간의 관계를 제한합니다.
• Fano와 로렌츠 공진기를 제어된 위상 지연으로 연쇄하면 NRIR > 6 dB에서 거의 단일화된 순방향 전송(>99%)을 달성하며 단일 공진기 경계를 넘어섭니다.
• 연쇄된 공진기에서 광대역 차단 및 높은 순방향 전송이 입증되며, 일부 구성에서 삽입 손실이 0.04–0.22 dB 수준입니다.
• 이 소자는 주파수-콤 기반 소스를 사용한 거리 측정에서 최대 60 m의 거리 측정을 달성하는 온칩 펄스레이더/LIDAR 유사 시스템을 가능하게 하며 펌프 반사로부터 보호합니다.
• 이 접근 방식은 실리콘 포토닉스에서 수동적이고 바이어스 없는 비대칭 전송 및 라우팅을 위한 플랫폼 독립적 설계 방법론을 제공하며, LIDAR 및 광 신호 처리 통합 가능성을 시사합니다.