[논문 리뷰] On-chip optical isolator and nonreciprocal parity-time symmetry induced by stimulated Brillouin scattering

Jiyang Ma, Jianming Wen외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고-Q 섬유 마이크로토이드 공진기에서 자성체가 없는 자극된 브릴루아 산란(SBS)을 기반으로 한 칩스케일, 자성체가 없는 광 이sov레이터를 제시한다. 이는 높은 고립비, 영입력손실, 넓은 동적 범위를 달성한다. 동일한 SBS 유도 비대칭 효과는 쌍방향 미러링이 없는 비대칭 파라미터-시간 대칭성(Peace-Time Symmetry)의 최초 실험적 구현을 가능하게 하여, 한 방향 레이저 작동과 초민감한 센싱을 실현한다.

ABSTRACT

Realization of chip-scale nonreciprocal optics such as isolators and circulators is highly demanding for all-optical signal routing and protection with standard photonics foundry process. Owing to the significant challenge for incorporating magneto-optical materials on chip, the exploration of magnetic-free alternatives has become exceedingly imperative in integrated photonics. Here, we demonstrate a chip-based, tunable all-optical isolator at the telecommunication band based upon bulk stimulated Brillouin scattering (SBS) in a high-Q silica microtoroid resonator. This device exhibits remarkable characteristics over most state-of-the-art implements, including high isolation ratio, no insertion loss, and large working power range. Thanks to the guided acoustic wave and accompanying momentum-conservation condition, SBS also enables us to realize the first nonreciprocal parity-time symmetry in two directly-coupled microresonators. The breach of time-reversal symmetry further makes the design a versatile arena for developing many formidable ultra-compact devices such as unidirectional single-mode Brillouin lasers and supersensitive photonic sensors.

연구 동기 및 목표

• 표준 광학 패브리케이션 플랫폼과 호환되는 칩 내 통합, 자성체가 없는 광 이sov레이터 개발
• 실리콘 광학 플랫폼에서 자성 광학 재료 통합의 과제 해결
• 외부 자장 없이 자극된 브릴루아 산란(SBS)을 활용하여 비대칭 광학 응답 달성
• SBS 유도 비대칭성을 이용한 쌍방향 미러링이 없는 비대칭 파라미터-시간(PT) 대칭성의 실험적 구현
• 한 방향 레이저 작동과 초민감한 광학 센싱과 같은 새로운 功能 칩 내 실현

제안 방법

• 고-Q 실리카 마이크로토이드 공진기에서의 부피형 자극된 브릴루아 산란(SBS)을 이용해 비대칭 광학 응답을 유도
• 유도된 음향파와 동역량 보존 원리를 활용해 시스템 내 시간역전 대칭성 파괴
• 직접 결합된 두 개의 마이크로공진기를 활용해 SBS 유도 이득 및 손실 비대칭성을 통해 비대칭 파라미터-시간(PT) 대칭성 실현
• 통신 C밴드에서 작동하도록 설계하고, 펌프 및 신호 주파수를 가변화
• 효율적인 SBS 및 비대칭 결합을 가능하게 하기 위해 광학 및 음향 모드 간 위상 일치 조건 활용
• 단일 펌프 구성을 통해 SBS 유도 주파수 이동 및 이득 비대칭성을 이용한 비대칭 전송 생성

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고-Q 마이크로토이드 공진기에서 자극된 브릴루아 산란이 자성체가 없는 칩 내 광 이sov레이터를 실현할 수 있는가? 이는 높은 고립비와 낮은 손실을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 SBS를 어떻게 활용하여 외부 자장 없이 광학 시스템 내 시간역전 대칭성을 깰 수 있는가?
• RQ3 SBS 유도 비대칭성을 이용해 직접 결합된 마이크로공진기에서 비대칭 파라미터-시간(PT) 대칭성을 실현할 수 있는가?
• RQ4 이러한 시스템의 성능 한계는 고립비, 입력 손실, 동적 범위 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ5 이 플랫폼은 한 방향 레이저 작동과 초민감한 센싱과 같은 고급 기능을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 전방 방향에서 0dB의 입력 손실을 동반한 30dB를 초과하는 높은 고립비를 달성한다.
• 시스템은 넓은 동적 범위의 입력 파워에서 작동 가능한 넓은 작동 전력 범위를 보인다.
• SBS 유도 비대칭성을 통해 직접 결합된 두 개의 마이크로공진기에서 비대칭 파라미터-시간 대칭성이 실험적으로 입증되었다.
• 비대칭 PT 대칭성은 방향성 방출 패tern을 통해 확인된 단일 모드 브릴루아 레이저의 한 방향 작동을 가능하게 한다.
• 높은 Q 인자와 강화된 비대칭 응답 덕분에 초민감한 광학 센싱을 지원한다.
• 표준 광학 패브리케이션 공정을 통해 제작된 통신 밴드 장치에서 결과가 검증되어 CMOS 호환성이 확인되었다.