[논문 리뷰] Soliton Microcomb Generation in a III-V Photonic Crystal Cavity

Alberto Nardi, Alisa Davydova외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 25.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비선형성과 고품질 인자(1.2×10⁶)가 높은 III-V 갈륨 황화물(GaP) 광결정 Fabry-Pérot 공진기에서, 군속도 분산을 이방성으로 조절하기 위해 캐리어된 광결정 거울을 사용하여 안정적인 소산성 킬러 솔리톤(DKS) 주파수 조합을 생성함을 보여준다. 평균 23.6 mW의 펌프 전력만으로도 60 fs 솔리톤 펄스와 3.0 THz 대역폭을 달성하였으며, 이는 칩형 통합 플랫폼에서 오크타브 스펙트럼을 갖는 주파수 조합을 향한 길을 열어준다.

ABSTRACT

Photonic crystals, material structures in which the dielectric function varies periodically in one, two, or three dimensions, can provide exquisite control over the propagation and confinement of light. By tailoring their band structure, exceptional optical effects can be achieved, such as slow light propagation or, through the creation of photonic bandgaps, optical cavities with both a high quality factor and a small mode volume. Photonic crystal cavities have been used to realize compact nano-lasers and achieve strong coupling to quantum emitters, such as semiconductor quantum dots, color centers, or cold atoms. A useful attribute of photonic crystals is the ability to create chirped mirrors. Chirping has underpinned advances in ultra-fast lasers based on bulk mirrors, but has yet to be fully exploited in integrated photonics, where it could provide a means to engineer otherwise unattainable dispersion profiles for a range of nonlinear optical applications, including soliton frequency comb generation. The vast majority of integrated resonators for frequency combs make use of microring geometries, where only waveguide width and height are varied to engineer dispersion. Generation of frequency combs has been demonstrated with one-dimensional photonic crystal cavities made of silicon nitride, but the low index contrast prevents formation of broad soliton combs. We overcome these challenges by using a photonic-crystal Fabry-Pérot resonator made of gallium phosphide, a material with a high refractive index and a Kerr nonlinearity 200 times larger than that of silicon nitride. We employ chirped photonic crystal mirrors to provide anomalous dispersion. With subharmonic pulsed pumping at an average power of 23.6 mW, we are able to access stable dissipative Kerr frequency combs. We demonstrate soliton formation with a 3-dB bandwidth of 3.0 THz, corresponding to a pulse duration of 60 fs.

연구 동기 및 목표

• 솔리톤 마이크로콤 생성에서 실리콘 질화물 마이크로링 공진기의 제한된 디스퍼션 공학 및 낮은 비선형성 문제를 해결하기 위함.
• 갈륨 황화물(GaP)의 높은 켈러 비선형성과 낮은 이광자 흡수 특성을 활용하여 통합 플랫폼에서 효율적인 솔리톤 형성 달성 위함.
• GaP 기반의 Fabry-Pérot 공진기에서 캐리어된 광결정 거울이 이방성 군속도 분산(GVD)을 정밀하게 제어할 수 있음을 입증하기 위함.
• III-V 통합 플랫폼에서 낮은 펌프 전력과 고품질 인자로 안정적이고 넓은 대역의 소산성 킬러 솔리톤(DKS) 형성 달성 위함.

제안 방법

• 캐리어된 광결정 거울(PCRs)을 사용하여 이방성 디스퍼션을 달성한 갈륨 황화물(GaP) 기반의 광결정 Fabry-Pérot(PC-FP) 공진기 설계.
• 3단계 모델(직선 웨이브가이드, PCRs, 테이퍼형 커플러)을 사용한 디스퍼션 시뮬레이션: 군지연은 FDTD 및 고유진동수 해석기기를 통해 S-파arameter에서 유도.
• FDTD 시뮬레이션을 통해 S11 반사 계수에서 PCRs의 위상 및 군지연 계산.
• 23.6 mW 평균 전력의 서브하모닉 펄스 펌프 방식을 도입하여 공진기 내 DKS 상태를 자극.
• 스펙트럼 확장 및 시간 영역 펄스 측정을 통한 실험적 솔리톤 형성 특성 분석; 동기화 안정성은 타이밍 제트로 평가.
• 관측된 역학을 검증하기 위해 Lugiato-Lefever 방정식 프레임워크를 사용한 수치 시뮬레이션을 통한 솔리톤 형성 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaP 기반 PC-FP 공진기에서 캐리어된 광결정 거울이 소산성 킬러 솔리톤(DKS) 형성에 필요한 이방성 디스퍼션을 제공할 수 있는가?
• RQ2 높은 비선형성과 고 Q 인자 조건에서 GaP 마이크로콤 플랫폼에서 안정적인 DKS 상태를 유도하기 위한 최소 펌프 전력은 얼마인가?
• RQ3 캐리어된 PCRs를 사용한 GaP PC-FP 공진기에서 디스퍼션을 얼마나 정밀하게 공학할 수 있으며, 이는 넓은 대역 솔리톤 형성에 기여하는가?
• RQ4 GaP의 높은 켈러 비선형성(실리콘 질화물의 200배)은 기존 플랫폼 대비 솔리톤 펄스 지속시간과 스펙트럼 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 GaP의 고유 특성인 넓은 투과 창과 비제로인 χ(2) 비선형성은 동일한 장치에서 고조파 생성 또는 파라메트릭 진동과 같은 추가 기능을 가능하게 하는가?

주요 결과

• GaP 광결정 Fabry-Pérot 공진기에서 평균 23.6 mW 펌프 전력으로 안정적인 소산성 킬러 솔리톤(DKS) 형성이 달성됨.
• 3.0 THz의 3dB 대역폭이 측정되어 60 fs 솔리톤 펄스 지속시간에 해당하며, 이는 높은 시간적 위상 일관성을 나타냄.
• GaP 공진기로서 기록적인 내재 품질 인자 1.2×10⁶를 달성하여 저임계 솔리톤 자극 가능.
• 15개의 유닛 세포로만 구성된 캐리어된 광결정 거울(PCRs)이 20 THz 대역에서 90% 이상의 고반사율을 확보하여 넓은 디스퍼션 제어 가능.
• 서브하모닉 펌프 트레인의 동기화 안정성이 약 1.3 MHz를 기록하여 안정적인 솔리톤 역학을 나타냄.
• GaP 투과 창(24–546 THz) 전역에서 거의 임의의 디스퍼션 공학이 가능하며, 오크타브 스펙트럼을 갖는 주파수 조합 가능.