[논문 리뷰] Femtojoule, femtosecond all-optical switching in lithium niobate nanophotonics

Qiushi Guo, Ryoto Sekine외 7명|Figshare|2021. 07. 21.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 도메인 역전된 웨이브가이드에서 준위상일치(QPM)와 분산을 공학함으로써 리튬니오브산염 나노포톤ics에서 페타졸, 페타초초 모든광학 스위칭을 구현한다. 장치는 초저에너지 스위칭(최소 18 fJ), 근접순간적인 18 fs 스위칭 시간, 5 dB 이상의 확산비율을 달성하였으며, 기록적인 에너지-시간 곱인 $1.4 \times 10^{-27}$ J·s를 기록하여, 칩 내 초고속·초저에너지 광학 처리를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Optical nonlinear functions are crucial for various applications in integrated photonics, such as all-optical information processing, photonic neural networks and on-chip ultrafast light sources. Due to the weak nonlinearities in most integrated photonic platforms, realizing optical nonlinear functions typically requires large driving energies in the picojoules level or beyond, thus imposing a barrier for most applications. Here, we tackle this challenge and demonstrate an integrated nonlinear splitter device in lithium niobate nano-waveguides by simultaneous engineering of the dispersion and quasi-phase matching. We achieve non-resonant all-optical switching with ultra-low energies down to tens of femtojoules, a near instantaneous switching time of 18 fs, and a large extinction ratio of more than 5 dB. Our nonlinear splitter simultaneously realizes switch-on and -off operations and features a state-of-the-art switching energy-time product as low as $1.4 imes10^{-27}$ J$\cdot$s. We also show a path toward attojoule level all-optical switching by further optimizing the device geometry. Our results can enable on-chip ultrafast and energy-efficient all-optical information processing, computing systems, and light sources.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 플랫폼에서 강력하고 순식간에 발생하는 이차 비선형성을 활용하여 모든광학 스위칭의 에너지-대역폭 상충 문제를 해결하고자 한다.
• 소형 칩 내 장치에서 피코졸 이하 에너지와 페타초 반응 시간을 갖는 비공진 모든광학 스위칭을 달성하고자 한다.
• 박막 리튬니오브산염 웨이브가이드에서 분산과 준위상일치를 동시에 공학하여 장거리 비선형 상호작용 길이와 높은 효율을 가능하게 하고자 한다.
• 장치 기하구조 최적화를 통해 아토졸 레벨 스위칭로의 길을 제시하고자 한다.
• 실용적인 칩 내 초고속 광정보 처리를 실현하고, 새로운 펄스 광원과의 통합을 가능하게 하고자 한다.

제안 방법

• 지속적인 도메인 역전된 리튬니오브산염(PPLN) 웨이브가이드를 설계하여 국소적 도메인 결함을 유도함으로써 π 위상 이동을 유도하고, 비선형 과정을 제2하향주파수 생성(SHG)에서 분리된 광학적 양자 증폭(DOPA)으로 전환시켰다.
• 초단파동의 공간-시간 봉쇄를 위해 분산 공학을 동시에 수행하여, 장치 길이 전반에서 초단파동을 효과적으로 봉쇄함으로써 장거리 비선형 상호작용 길이를 확보하였다.
• 기본파(HF)의 루팅을 입력 펄스 에너지에 따라 조절할 수 있도록 비선형 분할기 설계를 사용한 방향성 커플러를 도입하여 스위치 온 및 스위치 오프 동작을 가능하게 하였다.
• 비선형 환경 방정정식(NEE)을 주파수 도메인에서 분할-단계 푸리에 방법과 4차 룬게-쿠타 적분을 사용하여 풀어 펄스 전파 및 비선형 역학을 시뮬레이션하였다.
• 전자빔 리소그래피를 사용하여 700-nm 두께의 MgO Dop된 LN 박막 필름에 장치를 제작하고, 퉁성 전기장에 의한 반도체 도메인 역전 및 반응성 이온 에칭을 통해 웨이브가이드를 정의하였다.
• OPO를 통해 생성된 2090 nm, 46.2 fs 펄스 소스를 사용하여 광학 측정을 수행하였으며, 입력 전력은 열전력계를 통해 校정하였고, 출력은 OSA 또는 적외선 광수신기로 측정하였다.

Figure 1: Device design and operating principle. a , Illustration of the QPM engineering in PPLN waveguide. The poling defect (a longer ferroelectric domain with a length $L=\Lambda$ ) shifts the phase difference between the FH and SH by $\pi$ . As a result, the poling defect switches the SHG to deg

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 광학 플랫폼에서 피코졸 이하 에너지와 100 fs 이하 스위칭 시간을 갖는 비공진 모든광학 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 리튬니오브산염 나노포톤ics에서 분산과 준위상일치를 동시에 공학할 경우, 광학 공진기 의존 없이 장거리 효과적 비선형 상호작용 길이를 확보할 수 있는가?
• RQ3 소형 칩 내 장치에서 이차 비선형성을 이용한 모든광학 스위칭의 최소 에너지-시간 곱은 얼마인가?
• RQ4 장치 아키텍처는 고대비 스위칭과 낮은 크로스톺을 확보하면서도 스위치 온 및 스위치 오프 동작을 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ5 장치 기하구조 최적화를 통해 아토졸 레벨 스위칭으로의 이론적 길은 무엇인가?

주요 결과

• 장치는 최소 스위칭 에너지 18 fJ를 달성하여 비공진 모든광학 스위칭을 실현하였으며, 이는 기록적인 에너지-시간 곱인 $1.4 \times 10^{-27}$ J·s에 해당한다.
• 스위칭 시간은 18 fs로 측정되어, χ(2) 비선형성의 순식간의 성질 덕분에 근접순간적인 반응을 보였다.
• 확산비율은 5 dB를 초과하였으며, 온 상태일 땐 85%의 투과율, 오프 상태일 땐 15%의 투과율을 기록하여 고대비 스위칭을 확인하였다.
• 분산과 QPM 공학을 병행함으로써 비선형 상호작용 길이가 70 mm로 연장되어 장거리 전파 거리에서 효율적인 비선형 변환을 가능하게 하였다.
• 장치는 동시에 스위치 온 및 스위치 오프 동작을 수행하여, 단일 통합 구성 요소 내에서 재구성 가능한 모든광학 루팅을 실현하였다.
• 장치 기하구조의 추가 최적화를 통해 아토졸 레벨 스위칭로의 길을 규명하였으며, 향후 설계에서 피코졸 이하 작동 가능성을 시사하였다.

Figure 2: Integrated nonlinear splitter and its linear optical characteristics. a , SEM image of the fabricated nonlinear splitter. Scale bar: 20 $\mu$ m. The device has a 2.5-mm-long SHG region and a 3.5-mm-long DOPA region. The directional coupler has a coupling length of 70 $\mu$ m and a gap of 6