[논문 리뷰] Ultralow-threshold thin-film lithium niobate optical parametric oscillator

Juanjuan Lu, Ayed Al Sayem외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 12.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 47인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 준위상일치(quasi-phase-matched), 고Q 미크로링 공진기로 구성된 온칩 리튬니오브산화물 광학 매개변환 오실레이터(OPO)를 처음으로 제안하며, 이는 이전의 통합 플랫폼 대비 400배 낮은 ~30 μW 수준의 초저전력 임계값을 달성한다. 장치는 93 μW의 펌프 전력에서 11%의 온칩 전력 변환 효율을 나타내며, 펌프 파장 또는 온도 제어를 통해 넓은 테이너빌리티를 구현하여, 컴act하고 효율적이며 확장 가능한 고전적 및 양자 광원을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Materials with strong $χ^{(2)}$ optical nonlinearity, especially lithium niobate, play a critical role in building optical parametric oscillators (OPOs). However, chip-scale integration of low-loss $χ^{(2)}$ materials remains challenging and limits the threshold power of on-chip $χ^{(2)}$ OPO. Here we report the first on-chip lithium niobate optical parametric oscillator at the telecom wavelengths using a quasi-phase matched, high-quality microring resonator, whose threshold power ($\sim$30 $μ$W) is 400 times lower than that in previous $χ^{(2)}$ integrated photonics platforms. An on-chip power conversion efficiency of 11% is obtained at a pump power of 93 $μ$W. The OPO wavelength tuning is achieved by varying the pump frequency and chip temperature. With the lowest power threshold among all on-chip OPOs demonstrated so far, as well as advantages including high conversion efficiency, flexibility in quasi-phase matching and device scalability, the thin-film lithium niobate OPO opens new opportunities for chip-based tunable classical and quantum light sources and provides an potential platform for realizing photonic neural networks.

연구 동기 및 목표

• 통합 비선형 물질을 사용하여 초저임계 전력의 온칩 광학 매개변환 오실레이터(OPO)를 구현하는 것.
• 박막 리튬니오브산화물의 강력한 비선형 특성을 활용하여 온칩 χ(2) OPO의 높은 임계 전력 문제를 해결하는 것.
• 확장 가능하고, 양자 및 고전적 광학 응용 분야에 적합한 온칩 플랫폼에서 높은 변환 효율과 넓은 테이너빌리티를 입증하는 것.
• 강화된 매개변환 이득을 위해 박막 LN에서 주기적인 도메인 엔지니어링을 통해 탄력적인 준위상일치를 실현하는 것.
• 박막 리튬니오브산화물이 통합 비선형 광학 및 양자 광학 분야의 선도적 플랫폼으로 자리매김하도록 하는 것.

제안 방법

• 준위상일치를 위한 효율적인 χ(2) 매개변환 감소를 실현하기 위해 주기적으로 도메인이 배열된 리튬니오브산화물 미크로링 공진기(PPLNMR)를 사용하여 OPO를 실현한다.
• 펌프, 신호, 아이들러 모드가 모두 고Q 미크로링에서 봉쇄되어 Q 인자 수준이 10^7–10^8에 이르는 삼중 공진 구성을 운영한다.
• 광학적 손실과 매개변환 이득의 균형을 기반으로 이론적 임계 전력이 유도되며, 진공 결합 강도 g와 로드된 Q 인자(Qp,1, Qs, Qi)를 사용한다.
• 펌프 파장과 칩 온도를 조절하여 넓은 OPO 테이너빌리티 대역폭(180 nm, 23 THz)을 확보하고, 비대칭 진동 조건에 도달한다.
• 높은 광학 봉쇄와 세 모드 간 강한 공간적 오버랩은 진공 결합 강도 g를 증가시켜 임계 전력을 감소시킨다.
• 정밀한 주기적 도메인 엔지니어링을 통해 박막 리튬니오브산화물에 필요한 주기적 도메인 배열을 형성함으로써 제작을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 통합 플랫폼에 비해 훨씬 낮은 임계 전력을 갖는 박막 리튬니오브산화물에서 온칩 χ(2) 광학 매개변환 오실레이터를 실현할 수 있는가?
• RQ2 낮은 펌프 전력에서 PPLNMR 기반 OPO의 최대 온칩 전력 변환 효율은 얼마인가?
• RQ3 펌프 파장 및 온도 제어를 통해 OPO 출력을 얼마나 넓게 조절할 수 있는가?
• RQ4 박막 LN에서 고Q 인자와 준위상일치의 조합이 매개변환 이득을 향상시키고 임계 전력을 어떻게 감소시키는가?
• RQ5 이 플랫폼은 확장 가능하고 컴팩트하며 넓은 테이너빌리티를 갖춘 고전적 및 양자 광학 응용 분야에 적합한 소스를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• OPO는 기존의 통합 χ(2) 플랫폼 대비 400배 향상된 기록적인 초저임계 전력 ~30 μW를 달성한다.
• 펌프 전력 93 μW에서 11%의 온칩 전력 변환 효율을 확보하여 높은 에너지 효율성을 입증한다.
• 펌프 파장을 뿐만 아니라 5 nm(2.5 THz) 변화시켜도 180 nm(23 THz)의 테이너빌리티 대역폭을 확보한다.
• 온도 조절을 통해 신호 및 아이들러 파장의 정밀 제어가 가능하며, 약 100 °C의 최적 온도에서 비대칭 OPO가 달성된다.
• 고Q 인자(10^7–10^8)와 강한 모드 오버랩으로 인해 강화된 진공 결합을 통해 효율적인 매개변환 진동이 가능하다.
• 도메인 엔지니어링을 통한 탄력적인 준위상일치가 가능하여 확장 가능하고 재구성 가능한 비선형 광학을 지원한다.