[논문 리뷰] Photonic chip-based continuous-travelling-wave parametric amplifier

Johann Riemensberger, Junqiu Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 20.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 C 대역에서 네트워크 광학 이득 12 dB를 달성하는 2미터 길이의 분산 설계된 실리카 질화물(Si3N4) 웨이브가이드를 사용한 최초의 칩 기반 연속 이동파 파arametric 증폭기임을 입증한다. 이는 전파 손실과 커플링 손실을 극복한다. 장치는 Si3N4에서 초저항 전파 손실(0.15 dB/m)과 고Kerr 비선형성을 활용하여 양자 제한, 광역대 및 단방향 증폭을 실현하며, 반도체 레이저와의 통합 가능성을 지닌다.

ABSTRACT

The ability to amplify optical signals is of pivotal importance across science and technology. The development of optical amplifiers has revolutionized optical communications, which are today pervasively used in virtually all sensing and communication applications of coherent laser sources. In the telecommunication bands, optical amplifiers typically utilize gain media based on III-V semiconductors or rare-earth-doped fibers. Another way to amplify optical signals is to utilize the Kerr nonlinearity of optical fibers or waveguides via parametric processes. Such parametric amplifiers of travelling continuous wave have been originally developed in the microwave domain, and enable quantum-limited signal amplification with high peak gain, broadband gain spectrum tailored via dispersion control, and ability to enable phase sensitive amplification. Despite these advantages, optical amplifiers based on parametric gain have proven impractical in silica fibers due to the low Kerr nonlinearity. Recent advances in photonic integrated circuits have revived interest in parametric amplifiers due to the significantly increased nonlinearity in various integrated platforms. Yet, despite major progress, continuous-wave-pumped parametric amplifiers built on photonic chips have to date remained out of reach. Here we demonstrate a chip-based travelling-wave optical parametric amplifier with net signal gain in the continuous-wave regime. Using ultralow-loss, dispersion-engineered, meter-long, silicon nitride photonic integrated circuits that are tightly coiled on a photonic chip, we achieve a continuous parametric gain of 12 dB that exceeds both the on-chip optical propagation loss and fiber-chip-fiber coupling losses in the optical C-band.

연구 동기 및 목표

• 연속파 모드에서 작동하는 광학 칩 기반 파arametric 증폭기를 개발하여, 펄스 펌프 없이도 순수 신호 이득을 달성한다.
• 저Kerr 비선형성과 고손실로 인해 제약을 받는 섬유 기반 파arametric 증폭기의 한계를 극복하기 위해, 분산 설계된 통합 Si3N4 웨이브가이드를 사용한다.
• 통신 C 대역에서 칩 내 전파 손실과 섬유-칩-섬유 커플링 손실을 모두 초월하는 순 이득을 달성한다.
• 기존 희토류 증폭기 대역 외부인 가시광선에서 중적외선 영역까지의 파장 범위에서 광역대, 설계 조절이 가능한 광학 증폭 플랫폼을 제공하는 가용성, 소형화, 확장 가능성을 확보한다.
• 향후 반도체 레이저와의 통합을 가능하게 하여, 광통신 및 양자 정보 시스템에서 양자 제한, 고이득, 광역대 증폭기를 실현한다.

제안 방법

• 장치는 깊은 자외선(DUV) 스테퍼 리소그래피 및 광학 Damascene 공정을 통해 제작된 2미터 길이의 분산 설계된 초저손실 Si3N4 광학 집적 회로를 사용하여 실현된다.
• 프리폼 리플로우 및 화학기계적 평탄화(CMP)를 통해 웨이브가이드 측면의 거칠기를 나노미터 이하(0.3 nm RMS)로 감소시켜 산란 손실을 최소화한다.
• Si3N4 웨이브가이드의 χ(3) Kerr 비선형성을 통해 1550 nm 연속파 펌프를 이용해 파arametric 과정을 유도하며, 신호 증폭을 위한 4파면 혼합(FWM)을 실현한다.
• 분산 설계를 통해 2차 및 4차 분산 항목을 제거하여 광역대 이득 대역폭과 효율적인 FWM를 위한 위상 일치를 가능하게 한다.
• 장치는 밀접하게 감은 5×5 mm²의 풋프린트에서 작동하며, 펌프와 신호가 같은 방향으로 공진행하여 이동파 작동을 실현한다.
• 일반화된 비선형 슈뢰딩거 방정식(GNLS)에 기반한 수치 시뮬레이션을 통해 이득, 손실 및 비선형 상호작용을 모델링하고 실험 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스 펌프 없이도 손실이 있는 통합 광학 회로에서 순 연속파 이득을 달성할 수 있는 칩 기반 파arametric 증폭기가 가능한가?
• RQ2 C 대역에서 순 파arametric 이득을 달성하기 위해 Si3N4 웨이브가이드에서 요구되는 광학 손실 수준과 비선형성 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 Si3N4 웨이브가이드에서의 분산 설계가 광역대, 위상 일치된 4파면 혼합을 통해 얼마나 효율적인 증폭을 가능하게 하는가?
• RQ4 칩 기반 파arametric 증폭기의 성능이 칩 크기, 설계의灵活性, 확장 가능성 측면에서 섬유 기반 대비 뛰어나게 될 수 있는가?
• RQ5 향후 광학 통신 및 양자 시스템에서 이러한 증폭기를 칩 내 반도체 레이저와 통합할 잠재력은 어떠한가?

주요 결과

• 장치는 C 대역에서 순 연속 이동파 파arametric 이득 12 dB를 달성하여, 칩 내 전파 손실과 섬유-칩-섬유 커플링 손실을 모두 초월한다.
• 스토이키오메트릭 Si3N4 웨이브가이드에서 초저항 전파 손실 0.15 dB/m을 통해 500 mW의 펌프 파워로만 이론적 파arametric 이득이 70 dB를 초과할 수 있다.
• 장치는 양자 제한 소음도를 구현하여 위상 민감하고 소음 없는 증폭이 가능하며, 이는 양자 응용 분야에서 핵심적이다.
• 2차 및 4차 분산을 억제하는 분산 설계를 통해 광역대 이득을 실현하고, 효율적인 4파면 혼합을 가능하게 한다.
• Si3N4에서 고비선형성과 저손실을 통합함으로써, 소형 단일 공진형 및 펌프 강화된 TWOPA로의 길을 열어, 신호-신호 FWM를 감소시킬 수 있다.
• 결과적으로 칩 기반 파arametric 증폭기를 고이득, 시간 및 스펙트럼 연속 작동으로 확장할 수 있음을 입증하였으며, 향후 광통신 및 양자 정보 시스템에 적합하다.