[논문 리뷰] Ultra-low power nonlinear optics in a high Q CMOS compatible integrated micro-ring resonator

Marcello Ferrera, D. Duchesne외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 13.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 15인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 고색소 농도 실리카 유리로 제작된 CMOS 호환성 있는 고Q 미크로링 공진기에서 초저전력 연속파 4파면 혼합을 구현함으로써 기록적인 변환 효율 120만 Q 인자와 160 nm를 초과하는 대역폭에서 위상 매칭을 달성하여 통합 광학 회로에서 저전력 조건에서도 효율적인 비선형 광학을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate efficient, low power, continuous-wave four-wave mixing in the C-band, using a high index doped silica glass micro ring resonator having a Q-factor of 1.2 million. A record high conversion efficiency for this kind of device is achieved over a bandwidth of 20nm. We show theoretically that the characteristic low dispersion enables phase-matching over a bandwidth > 160nm.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 입력 전력으로 통합 광학 회로에서 효율적인 비선형 광학 과정을 가능하게 하기 위해.
• 기존 비선형 웨이브가이드에서 높은 펌프 전력 요구 조건을 극복하기 위해.
• 확장 가능하고 저전력의 전면 광학 신호 처리를 위한 CMOS 호환 플랫폼을 개발하기 위해.
• 작은 미크로링 공진기에서 고Q 인자와 넓은 위상 매칭 대역폭을 달성하기 위해.

제안 방법

• 고Q 인자를 갖는 고색소 농도 실리카 유리 미크로링 공진기를 사용하여 빛의 구속과 비선형 상호작용을 향상시키기 위해.
• 신호 생성을 위한 주요 비선형 과정으로 연속파(CW) 4파면 혼합을 활용하기 위해.
• 저산란 영역에서 작동하도록 공진기를 설계하여 넓은 위상 매칭 대역폭을 확보하기 위해.
• 이론적 모델링을 통해 저산란 특성으로 인해 160 nm를 초과하는 대역폭에서 위상 매칭이 가능하다고 확인함.
• C 대역에서 높은 변환 효율을 보이는 4파면 혼합의 실험적 구현.
• 확장성과 통합 가능성을 보장하기 위해 CMOS 호환 재료와 제조 기법을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMOS 호환성 있는 미크로링 공진기에서 고Q 인자를 갖는 조건에서 초저전력 4파면 혼합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 연속파 작동 조건에서 이러한 시스템에서 도달 가능한 최대 변환 효율은 얼마인가?
• RQ3 저산란 특성을 갖는 고Q 미크로링 공진기에서 위상 매칭 대역폭은 얼마나 넓은가?
• RQ4 이론적 위상 매칭 대역폭이 C 대역에서 실험적으로 검증될 수 있는가?
• RQ5 재료의 산란 특성이 통합 공진기에서 광역 비선형 과정을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• CMOS 호환성 있는 미크로링 공진기에서 기록적인 높은 변환 효율을 달성하였으며, Q 인자는 120만이다.
• 장치는 C 대역에서 초저전력 펌프를 사용하여 효율적인 연속파 4파면 혼합을 구현하였다.
• 이론적 분석에 따르면 공진기의 저산란 특성으로 인해 160 nm를 초과하는 위상 매칭 대역폭이 예측된다.
• 실험적으로 효율적인 4파면 혼합을 위한 대역폭은 20 nm에 도달하였으며, 고Q 인자와 저손실 특성과 일치한다.
• 고Q 인자와 CMOS 호환성 덕분에 온칩 전면 광학 신호 처리를 위한 확장 가능한 통합이 가능하다.
• 결과적으로 고Q, 저산란 미크로링 공진기를 사용한 초저전력 비선형 광학의 실현 가능성을 검증하였다.