[论文解读] Compact, spatial-mode-interaction-free, ultralow-loss, nonlinear photonic integrated circuits

Xinru Ji, Junqiu Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种紧凑、超低损耗、非线性的氮化硅光子集成电路，采用欧拉弯曲结构抑制空间模式相互作用，实现了面积仅为0.21 mm²、自由光谱范围为19.8 GHz的环形微腔，可在19.8 GHz重复频率下实现单个耗散克尔孤子运转，无需复杂调谐，同时保持色散分布和光学生率在15.5 MHz的水平，归功于高效的绝热模式转换。

ABSTRACT

Nonlinear photonics based on integrated circuits has enabled applications such as parametric amplifiers, soliton frequency combs, supercontinua, and non-reciprocal devices. Ultralow optical loss and the capability for dispersion engineering are essential, which necessitate the use of multi-mode waveguides. Despite that rich interaction among different spatial waveguide eigenmodes can give rise to novel nonlinear phenomena, spatial mode interaction is typically undesired as it increases optical loss, perturbs local dispersion profile, and impedes soliton formation. Adiabatic bends, such as Euler bends whose curvature varies linearly with their path length, have been favoured to suppress spatial mode interaction. Adiabatic bends can essentially connect any two waveguide segments with adiabatic mode conversion, thus efficiently avoid mode mixing due to mode mismatch. However, previous works lack quantitative measurement data and analysis to fairly evaluate the adiabaticity, and are not based on photonic integrated circuits with tight optical confinement and optical losses of few dB/m. Here, we adapt, optimize, and implement Euler bends to build compact racetrack microresonators based on ultralow-loss, multi-mode, silicon nitride photonic integrated circuits. The racetrack microresonators feature a small footprint of only 0.21 mm^2 for 19.8 GHz FSR. We quantitatively investigate the suppression of spatial mode interaction in the racetrack microresonators with Euler bends. We show that the optical loss rate (15.5 MHz) is preserved, on par with the mode interaction strength (25 MHz). This results in an unperturbed microresonator dispersion profile. We further demonstrate single soliton of 19.8 GHz repetition rate. The optimized Euler bends and racetrack microresonators can be key building blocks for integrated nonlinear photonic systems, programmable processors and photonic quantum computing.

研究动机与目标

• 为解决多模、超低损耗光子集成电路中空间模式相互作用带来的性能退化问题，该问题会降低非线性光学器件的性能。
• 开发一种紧凑、高性能的环形微腔设计，在保持极低光学损耗和未扰动色散特性的同时，最大限度减小器件面积。
• 通过欧拉弯曲结构抑制模式混合，实现面积小于0.25 mm²的微腔中稳定运行单个耗散克尔孤子。
• 通过减小器件面积并提高与压电调制器的兼容性，实现非线性与线性光子元件的高密度集成。

提出的方法

• 采用并优化了欧拉弯曲结构——曲率随路径长度线性变化，以实现直波导与弯曲区之间的绝热模式转换。
• 利用深紫外（DUV）步进光刻技术设计并制造了超低损耗、多模的氮化硅环形微腔，以实现高深宽比和小尺寸。
• 采用有限差分时域（FDTD）仿真方法，量化不同弯曲类型下的模式转换效率及空间模式相互作用的抑制效果。
• 在相同条件下测量了所制备器件的光学损耗率和孤子形成特性，对比了欧拉弯曲与圆形弯曲微腔的性能。
• 通过相位噪声测量和重复频率调谐，评估孤子稳定性及非辐射波发射的缺失。
• 利用环形结构中长宽比大的特点，使色散分布计算主要依赖于直波导区段，从而实现高精度计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 欧拉弯曲结构能否有效抑制超低损耗、多模氮化硅光子集成电路中的空间模式相互作用？
• RQ2 模式相互作用的抑制在多大程度上保持了微腔的色散分布和光学损耗率？
• RQ3 采用欧拉弯曲结构的紧凑环形微腔是否能在无需辅助激光器或复杂调谐的情况下，支持稳定运行的单个耗散克尔孤子？
• RQ4 欧拉弯曲环形微腔的器件面积与传统设计相比如何？这对光子集成有何影响？
• RQ5 绝热模式转换在实现紧凑平台上高性能非线性光子电路中起到何种作用？

主要发现

• 所制备的环形微腔面积仅为0.21 mm²，自由光谱范围为19.8 GHz，与先前基于微环的孤子器件相比，尺寸缩小了20倍。
• 测得的光学损耗率为15.5 MHz，与25 MHz的模式相互作用强度相当，证实色散分布未受显著扰动。
• 在19.8 GHz重复频率下实现了单个耗散克尔孤子的生成，无需复杂的激光调谐方案或辅助激光器。
• 相位噪声测量未显示明显的安静点，表明由于避免了模式交叉和减少了模式相互作用，辐射波生成被有效抑制。
• FDTD仿真结果证实，欧拉弯曲结构实现了有效的绝热模式转换，即使在高弯曲曲率下也表现出极小的模式混合。
• 采用DUV步进光刻技术实现了高深宽比、紧凑的器件制造，克服了电子束光刻和拼接误差的限制。