[논문 리뷰] Octave-spanning microcomb generation in 4H-silicon-carbide-on-insulator photonics platform

Lutong Cai, Jingwei Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 21.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 4H-실리콘카바이드온옵티컬(4H-SiCOI) 광학 플랫폼에서 처음으로 오크타브 스펙트럼을 가로지르는 마이크로콤을 생성함을 보여준다. 36-µm 반경의 마이크로링 공진기에서 내재된 Q 인자가 100만 이상이 되도록 나노재료 공정을 최적화하고, 기본 전자기 모드인 수평전기(TE₀₀) 모드에서 파장에 따라 파장선의 너비를 조절하여 군속도 분산을 공학적으로 조절함으로써, 1100–2400 nm 범위를 커버하는 넓은 대역의 콤 스펙트럼을 생성하였으며, 칩 내에서 약 120 mW의 출력 전력으로 구현되었으며, 이는 칩 기반 f-2f 자기기반 기술로 향한 중요한 단계이다.

ABSTRACT

Silicon carbide has recently emerged as a promising photonics material due to its unique properties, including possessing strong second- and third-order nonlinear coefficients and hosting various color centers that can be utilized for a wealth of quantum applications. Here, we report the design and demonstration of octave-spanning microcombs in a 4H-silicon-carbide-on-insulator platform for the first time. Such broadband operation is enabled by optimized nanofabrication achieving >1 million intrinsic quality factors in a 36-$μ$m-radius microring resonator, and careful dispersion engineering by investigating the dispersion properties of different mode families. For example, for the fundamental transverse-electric mode whose dispersion can be tailored by simply varying the microring waveguide width, we realized a microcomb spectrum covering the wavelength range from 1100 nm to 2400 nm with an on-chip power near 120 mW. While the observed comb state is verified to be chaotic and not soliton, attaining such a large bandwidth is a crucial step towards realizing $f$-2$f$ self-referencing. In addition, we have also observed coherent soliton-crystal state for the fundamental transverse-magnetic mode, which exhibits stronger dispersion than the fundamental transverse-electric mode and hence a narrower bandwidth.

연구 동기 및 목표

• 통합 주파수 측정 기술을 위한 4H-실리콘카바이드온옵티컬(4H-SiCOI) 광학 플랫폼에서 오크타브 스펙트럼을 가로지르는 마이크로콤 생성을 목표로 한다.
• 이전의 SiC 기반 마이크로콤에서의 대역폭 제한 문제를 해결하기 위해, 파장선 너비 조절을 통한 분산 공학을 통해 이를 가능하게 한다.
• 최적화된 나노재료 공정을 통해 소형 SiC 마이크로링 공진기에서 내재된 Q 인자 수준이 100만 이상이 되도록 구현한다.
• 1개 이상의 오크타브를 커버하는 넓은 대역의 콤을 생성함으로써 칩 기반 f-2f 자기기반 기술을 실현한다.
• 실험적 콤 스펙트럼과 LLE 시뮬레이션을 비교하여 SiC 재료의 케러 비선형 성질을 평가한다.

제안 방법

• 직접 웨이퍼 접합 및 연마 공정을 사용하여 500 nm 두께의 SiC와 100 nm 두께의 산화물 밸리에이트를 갖는 4H-SiCOI 플랫폼을 사용하였다.
• 마이크로링 파장선 너비를 1.6–1.9 µm 범위에서 변화시켜 기본 TE₀₀ 모드에서 군속도 분산(GVD)을 조절하여 넓은 파장 범위에서 비정상적인 GVD를 달성하였다.
• 측면면의 기울기를 80–85°로 유지하고 산란 손실을 최소화함으로써 최적화된 나노재료 공정을 통해 내재된 Q 인자를 100만 이상 확보하였다.
• 입력 커플링을 위해 그레팅 콤퍼를 사용하고, 렌즈가 있는 섬유에 직접 버트 커플링하여 넓은 대역 스펙트럼의 전체 1100–2400 nm 스펙트럼을 해상도 있게 측정하였다.
• 전체 콤 대역폭을 측정하기 위해 600–1700 nm 범위와 1200–2400 nm 범위를 커버하는 두 대의 광스펙트럼분석기(OSA)를 사용하였다.
• γ ≈ 2.1 W⁻¹m⁻¹ 및 Q_intrinsic = 125만을 사용하여 Lugiato-Lefever 방정식(LLE)을 기반으로 수치 시뮬레이션을 수행하여 콤 동역학을 모델링하고 재료의 비선형성을 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파장 조절에 의한 분산 공학과 고Q 나노재료 공정을 통해 4H-SiCOI 플랫폼에서 오크타브 스펙트럼을 가로지르는 마이크로콤을 생성할 수 있는가?
• RQ2 4H-SiCOI 마이크로링의 TE₀₀ 모드에서 파장선 너비를 조절함으로써 도달 가능한 최대 콤 대역폭은 얼마인가?
• RQ3 4H-SiCOI 마이크로링의 내재된 Q 인자는 최신 기술 플랫폼과 비교하여 어떠한가? 이 연구에서 100만 이상의 Q 인자를 달성할 수 있었던 이유는 무엇인가?
• RQ4 관측된 콤 상태는 f-2f 자기기반 기술을 지원할 수 있는가? 이 플랫폼에서의 콩 상태는 혼돈적 동역학을 보이는가, 아니면 코herent 솔리톤인가?
• RQ5 실험적 콤 스펙트럼과 LLE 시뮬레이션을 기반으로 유추된 4H-SiC 재료의 효과적 케러 비선형성은 얼마인가?

주요 결과

• 이 연구는 SiC 기반 나노광학 플랫폼에서 처음으로 오크타브 스펙트럼을 가로지르는 마이크로콤을 구현하였으며, 36-µm 반경의 마이크로링 공진기를 사용하여 1100–2400 nm 범위를 커버하였다.
• 파장선 너비가 1.8–1.9 µm인 기본 TE₀₀ 모드를 사용하여 스펙트럼 대역폭이 150 THz를 초과하는 넓은 대역의 콤 스펙트럼을 달성하였다.
• 약 120 mW의 칩 내에서의 펌프 전력이 넓은 대역의 콤을 생성하기 위해 필요하였으며, 렌즈가 있는 섬유에 버트 커플링을 통해 출력을 수집하였다.
• 비트노트 측정 결과 콤 상태는 혼돈적 동역학을 보이므로 조절 불안정성(MI) 콩임을 확인하였으며, 일관된 솔리톤 상태가 아님을 입증하였다.
• 효과적 케러 비선형성은 n₂ = (3.0 ± 1.0) × 10⁻¹⁹ m²/W로 추정되었으며, 이는 γ ≈ 2.1 W⁻¹m⁻¹과 대응한다. 이 값은 이전에 보고된 다른 SiC 샘플의 값보다 낮다.
• TM₀₀ 모드에서는 코herent 솔리톤 크리스탈 상태가 관측되었지만, TE₀₀ 모드에 비해 더 강한 분산로 인해 대역폭이 좁았다.