[論文レビュー] 100GHz Integrated All-Optical Switch Enabled by ALD

Grégory Moille, Sylvain Combrié+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、表面再結合を低減し、キャリア寿命を約12 psに最適化するための原子層堆積（ALD）によるAl₂O₃堆積を用いて、ガリウムヒ素（GaAs）フォトニクスクリスタルキャビティで100 GHzの統合型全光スイッチを実現した。100 fJ/パルスのエネルギーで100 GHzで7 dBのモード変換対比を達成し、通信波長帯域で低消費電力かつフォトニクス集積回路と高い互換性を持つ超高速全光信号処理を実現した。

ABSTRACT

The carrier lifetime of a photonic crystal all-optical switch is optimized by controlling the surface of GaAs by Atomic Layer Deposition. We demonstrate an all optical modulation capability up to 100GHz at Telecom wavelengths, with a contrast as high as 7dB. Wavelength conversion has also been demonstrated at a repetition rate of 2.5GHz with average pump power of about 0.5mW

研究の動機と目的

• 超高速全光スイッチングを実現する統合フォトニクス回路において、高速度、低エネルギー、通信波長帯域との互換性を兼ね備えること。
• GaAsベースのフォトニクスクリスタルスイッチにおける遅いキャリア再結合という課題に取り組み、スイッチング速度と効率を向上させること。
• 100 GHz動作に必要な4.5 psパルス幅に一致するように、GaAsフォトニクスクリスタルキャビティ内のキャリア寿命を最適化すること。
• 低ポンプパワーで高繰り返しレートでの実用的全光変調および波長変換を実現すること。
• 原子層堆積（ALD）による表面修飾によって、10 ps未満のスイッチングダイナミクスを達成すること。

提案手法

• 原子層堆積（ALD）を用いて、GaAsフォトニクスクリスタル表面に均一にAl₂O₃を堆積させ、表面再結合速度を10倍以上低減した。
• 自由キャリア誘起屈折率変化を介して高対比透過モード変調を実現するため、2つの結合したH₀フォトニクスクリスタルキャビティを有するフォトニクス分子構造を採用した。
• 70 GHz帯域のスコープと低ノイズEDFAを用いて、7 dBの対比を達成した。
• 2 psのプローブパルスを用いた時間分解ポンププローブ測定により、スイッチングダイナミクスを特徴付けた。
• ポンプパルス幅（4.5 ps）に一致する最適な12 psの緩和時間となるように、ALDによる表面修飾でキャリア寿命を調整した。
• キャビティ共鳴エネルギーに最適に合わせるため、プローブ波長を能動的に調整することで、熱的ドリフトを補償した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaAsフォトニクスクリスタルキャビティにおけるALD表面修飾は、表面再結合を低減し、超高速全光スイッチングに最適化されたキャリア寿命を実現できるか？
• RQ2 キャリア寿命をパルス幅に一致させる場合、統合型全光スイッチの最大達成可能なモード帯域幅はどの程度か？
• RQ3 コンactな統合プラットフォームで、平均ポンプパワー（≤0.5 mW）が低く、高い対比が得られる2.5 GHzでの波長変換が可能か？
• RQ4 熱的ドリフトは高繰り返しレートでのスイッチング性能にどのように影響するか？また、それを緩和できるか？
• RQ5 数フェムトジュールの光学パルスで駆動された場合、デバイスの内在的スイッチング応答（上昇・下降時間）はどの程度か？

主な発見

• ALDによるAl₂O₃堆積により、GaAsフォトニクスクリスタルキャビティ内のキャリア寿命が12 psに最適化され、4.5 psのポンプパルス幅にほぼ理想的に一致した。
• 100 fJ/パルスのエネルギーで100 GHzで最大7 dBのスイッチング対比を達成し、高効率な全光変調を実証した。
• 1/eスイッチングウィンドウは12 psであり、上昇・下降時間は100 GHzモード帯域幅と整合的であった。
• 平均ポンプパワー0.5 mWで2.5 GHzでの波長変換を実現し、最大7 dBの対比を達成したが、高繰り返しレートでは熱的ドリフトが制限要因となった。
• 10 ps間隔の2 psポンプパルス列は、明確に分離した非重複応答を示し、100 GHz動作の安定性を確認した。
• 10 GHzの繰り返しレートでは熱的効果が顕著となり、3 Kの温度上昇に伴い150 pmの赤シフトが発生し、対比の低下とキャビティの共鳴からのデチューニングが生じた。