[논문 리뷰] Mid-infrared dispersive wave generation in silicon nitride nano-photonic waveguides

Clemens Herkommer, Adrien Billat외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 1550 nm 펄스 레이저를 사용하여 0.6 nJ 펄스 에너지로도 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드에서 2.5–4 µm 범위의 중적외선(중인프라레드) 산란파 생성을 효율적이고 일관성 있게 구현함을 보여준다. 두꺼운(2.3 µm), 분산 조절형 웨이브가이드를 수정된 광학 다마스케인 공정으로 제작하여 비정상적 군속도 분산를 유도함으로써, 넓은 스펙트럼의 중인프라레드 방출이 가능해졌으며, 이는 고스펙트럼 일관성과 함께 중인프라레드 주파수 콤 및 분광법 응용을 위한 소형화된 길을 제공한다.

ABSTRACT

The generation of supercontinua using photonic chip-based waveguides enables efficient broadening at low pulse energy owing to the large effective nonlinearity of nanoscale waveguides made of materials with large Kerr nonlinearity. While photonic waveguides for supercontinuum generation have been extensively studied in the visible and the near-infrared spectral range, there is a growing interest in the mid-infrared (mid-IR) range, which is particularly suitable for molecular spectroscopy. Yet to date, accessing the mid-IR using photonic chip-based supercontinua has been challenging, and typically has only been accessed with this method by operating the pulsed source directly within the mid-IR. Here we demonstrate a simple, yet effective method for the direct generation of high coherence mid infrared radiation in the 2.5--4 micron region from a femtosecond laser in the telecommunication band (i.e. 1550 nm). The wavelength conversion is based on dispersive wave generation in dispersion engineered silicon nitride waveguides, pumped by a femtosecond fiber laser with pulse energies of 0.6 nJ. Efficient wave guiding in the mid-IR and dispersion engineering is achieved using a modified photonic Damascene fabrication process, allowing waveguides with an unprecedented height exceeding 2.3 micron and resulting in broadband anomalous group velocity dispersion extending into the mid-IR. Lithographic tuning of the mid-IR dispersive wave position is demonstrated and numerical simulations indicate a high level of spectral coherence in the mid-IR, thereby providing a route for synthesis of mid-IR frequency combs based on this method. Such a simple and versatile mid-IR source is suitable for spectroscopic applications in the first mid-IR atmospheric window, and may also serve to synthesize mid-IR frequency combs.

연구 동기 및 목표

• 분광 응용을 위한 광학 칩 상에서 넓은 대역, 고일관성의 중인프라레드 복사를 생성하는 데 도전하는 것.
• 기존의 칩 내 슈퍼컨티뉴üm 소스가 주로 가시광선 및 가까운 인프라레드 영역에 국한되어 있는 한계를 극복하는 것.
• 분산 조절된 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드에서의 산란파 방출을 활용해 직접적인 중인프라레드 생성을 가능하게 하는 것.
• 저에너지 펄스와 표준 통신 파장(1550 nm)을 사용하여 중인프라레드 주파수 콤 합성을 위한 확장 가능한 칩 통합 플랫폼을 개발하는 것.
• 웨이브가이드 기하구조 공학을 통해 비정상적 군속도 분산를 중인프라레드 영역까지 연장하는 것.

제안 방법

• 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드를 제작하기 위해 2.3 µm를 초과하는 두께를 갖는 데까지 이르는 새로운 두께의 웨이브가이드를 확보하기 위해 수정된 광학 다마스케인 공정을 적용한다.
• 웨이브가이드의 분산를 조절하여 비정상적 군속도 분산가 중인프라레드(2.5–4 µm) 영역까지 연장되도록 한다.
• 1550 nm 펄스 레이저를 0.6 nJ 펄스 에너지로 사용하여 비선형 과정(산란파 생성 포함)을 유도한다.
• 리소그래픽 조절을 통해 생성된 중인프라레드 산란파의 중심 파장을 2.5–4 µm 범위에서 제어한다.
• 수치 시뮬레이션을 적용하여 중인프라레드 출력의 고스펙트럼 일관성을 예측하고 확인한다.
• 나노스케일 웨이브가이드의 높은 효과적 비선형성을 활용하여 저에너지 펌프 조건에서도 효율적인 스펙트럼 확장을 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 조절된 실리콘 나이트라이드 웨이브가이드에서의 산란파 생성이 통신 대역의 펄스 레이저에서 직접적으로 고일관성 중인프라레드 복사를 생성할 수 있는가?
• RQ2 웨이브가이드 두께와 기하구조를 얼마나 최적화할 수 있을지, 비정상적 군속도 분산를 중인프라레드 영역까지 연장할 수 있는가?
• RQ3 리소그래픽 조절이 생성된 중인프라레드 산란파의 중심 파장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이러한 칩 기반 시스템에서 중인프라레드 출력의 스펙트럼 일관성은 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 칩 내 중인프라레드 주파수 콤 생성을 위한 실현 가능한 길이 될 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 1550 nm 펄스 레이저에서 0.6 nJ 펄스 에너지만으로도 2.5–4 µm 범위에서 효율적인 중인프라레드 산란파 생성을 달성하였다.
• 수정된 광학 다마스케인 공정을 통해 두께가 2.3 µm를 초과하는 웨이브가이드를 제작하여 중인프라레드 영역까지 넓은 대역의 비정상적 군속도 분산를 실현하였다.
• 리소그래픽 조절을 통해 생성된 산란파의 중심 파장을 2.5–4 µm 스펙트럼 창 내에서 정밀하게 제어할 수 있었다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 중인프라레드 출력의 높은 수준의 스펙트럼 일관성이 확인되어 주파수 콤 응용에 적합함을 입증하였다.
• 이 플랫폼은 중인프라레드 펌프 소스가 필요 없이 직접적으로 저에너지 중인프라레드 복사를 칩 상에서 생성할 수 있도록 하였다.
• 이 방법은 중인프라레드 주파수 콤 합성 및 첫 번째 대기 창 영역 내에서의 분광 센서 응용을 위한 확장 가능하고 다재다능한 길을 제공한다.