[論文レビュー] An on-chip diamond optical parametric oscillator

Birgit J. M. Hausmann, İrfan Bulu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、単結晶ダイヤモンドマイクロリングレゾネータにおける四波混合を用いた、初めてのオンチップダイヤモンド光パラメトリックオシレータを実証した。Qファクターが約1×10⁶に近い状態で、20 mWという低しきい値で光パラメトリックオシレーションを達成し、100 mW未満のポンプパワーで165 nm帯域幅にわたって最大20本のサイドバンドを生成する。これにより、通信帯域における効率的なオンチップ非線形光技術が実現された。

ABSTRACT

Efficient, on-chip optical nonlinear processes are of great interest for the development of compact, robust, low-power consuming systems for applications in spectroscopy, metrology, sensing and classical and quantum optical information processing. Diamond holds promise for these applications, owing to its exceptional properties. However, although significant progress has been made in the development of an integrated diamond photonics platform, optical nonlinearities in diamond have not been explored much apart from Raman processes in bulk samples. Here, we demonstrate optical parametric oscillations (OPO) via four wave mixing (FWM) in single crystal diamond (SCD) optical networks on-chip consisting of waveguide-coupled microring resonators. Threshold powers as low as 20mW are enabled by ultra-high quality factor (1*10^6) diamond ring resonators operating at telecom wavelengths, and up to 20 new wavelengths are generated from a single-frequency pump laser. We also report the inferred nonlinear refractive index due to the third-order nonlinearity in diamond at telecom wavelengths.

研究の動機と目的

• 集積非線形フォトニクスを実現するため、四波混合（FWM）を用いて単結晶ダイヤモンド（SCD）におけるオンチップ光パラメトリックオシレーション（OPO）を実証すること。
• ダイヤモンドが有する優れた非線形性および熱的特性を活用し、コンactで丈夫なフォトニクスシステムにおいて低しきい値・高効率な周波数変換を実現すること。
• 通信波長帯域における超高Qファクターマイクロリングレゾネータと波ガイド分散の設計を組み合わせることで、低しきい値のパラメトリックオシレーションを達成すること。
• 通信波長帯域におけるダイヤモンドの三次非線形屈折率（n₂）を実験的に推定し、非線形応答の定量的評価を行うこと。
• 集積非線形フォトニクスを活用して、ダイヤモンドベースのオンチップ周波数コンブおよび量子-古典的インターフェースプラットフォームの可能性を検討すること。

提案手法

• 誘導結合プラズマ反応イオンエッチング（ICP-RIE）および電子線リソグラフィーを用いて、SiO₂/Si基板上に単結晶ダイヤモンド（SCD）マイクロリングレゾネータをフォトリソグラフィーで作製する。
• SU-8ポリマー突起を用いた急勾配変換波ガイドを統合し、チップへの光の効率的入出力結合を実現する。
• フェルト研磨およびデバイス保護のため、プラズマ増強化学蒸着法（PECVD）を用いて3 µmのシリカ被膜を堆積する。
• 有限要素法（COMSOL）を用いたシミュレーションにより、波ガイドおよびリングレゾネータの分散をモデル化し、測定済みのSiO₂およびPECVD酸化膜の光学特性を組み込む。
• 3次元FDTDシミュレーションを用いて、バス波ガイドとリングレゾネータ間の結合ギャップを最適化し、Q_c > 5×10⁵を達成する。
• ダイヤモンドのχ⁽³⁾非線形性を活用し、エネルギー保存則および運動量保存則に従って、二つのポンプ光子が信号光子とイジール光子を生成する四波混合（FWM）を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信波長帯域において、四波混合を用いた単結晶ダイヤモンドにおけるオンチップ光パラメトリックオシレーションは達成可能か？
• RQ2 高Qファクターのダイヤモンドマイクロリングレゾネータにおけるパラメトリックオシレーションに必要なしきい値ポンプパワーはどの程度か？
• RQ3 通信波長帯域におけるダイヤモンドの非線形屈折率（n₂）の実験的推定値は何か？
• RQ4 波ガイド幾何形状をどのように設計すれば、FWM効率を高めるためにダイヤモンドにおける異常群速度分散（GVD）を達成できるか？
• RQ5 吸収損失および熱的効果は、ダイヤモンドベースのオンチップ非線形デバイスの性能をどの程度制限しており、それらはどのように緩和可能か？

主な発見

• オンチップ単結晶ダイヤモンドマイクロリングレゾネータにおいて、光パラメトリックオシレーションが成功裏に実証され、しきい値ポンプパワーは20 mWにまで低減された。
• リングレゾネータにおけるQファクターは約1×10⁶に達し、強い光強度増幅と低しきい値のFWMを実現した。
• ポンプパワーが100 mW未満で、165 nmの波長範囲にわたって最大20本のサイドバンドが生成され、広帯域周波数変換能力が示された。
• すべてのサイドバンドに生成された合計パワーはポンプパワーの最大1.1%に達し、Si₃N₄などの他の集積非線形プラットフォームと同等の性能を示した。
• 通信波長帯域におけるダイヤモンドの非線形屈折率の推定値は(8.2 ± 3.5)×10⁻²⁰ m²/Wであった。これは、強力なχ⁽³⁾非線形性を確認するものであった。
• 熱的効果および吸収損失（おそらくPECVD酸化膜および表面状態に起因）が現在の制限要因であると特定され、さらなる分散設計および損失低減により、より高いQファクターと周波数コンブ生成が可能になると考えられる。