[論文レビュー] Photonic Integrated Devices for Nonlinear Optics

Lucia Caspani, D. Duchesne+9 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2014

Photonic and Optical Devices参考文献 114被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、非線形光学のための統合光デバイスを提示し、AlGaAs波導およびCMOS互換性を持つドーピングされたシリカガラス波導を用いて効率的な周波数変換を実証した。主な結果として、100 nmを超える帯域幅における可変周波数差動発生、広帯域自己位相変調、およびマイクロリング共振器における低電力四波混合が得られ、通信および計測分野への応用が可能になった。

ABSTRACT

We review our recent progresses on frequency conversion in integrated devices, focusing primarily on experiments based on strip-loaded and quantum-well intermixed AlGaAs waveguides, and on CMOS-compatible high-index doped silica glass waveguides. The former includes both second- and third-order interactions, demonstrating wavelength conversion by tunable difference-frequency generation over a bandwidth of more than nm, as well as broadband self-phase modulation and tunable four-wave mixing. The latter includes four-wave mixing using low-power continuous-wave light in microring resonators as well as hyper-parametric oscillation in a high quality factor resonator, towards the realization of an integrated multiple wavelength source with important applications for telecommunications, spectroscopy, and metrology.

研究の動機と目的

• 非線形光学周波数変換のためのコンactで効率的な光集積デバイスの開発を目的とする。
• ボリューム型非線形光学の制限を克服し、小型化されたチップスケールプラットフォームを実現することを目的とする。
• 統合波導を用いて広帯域かつ可変周波数の波長変換を達成することを目的とする。
• スケーラビリティを考慮し、CMOS互換材料を用いた低電力で高効率な非線形プロセスを実現することを目的とする。
• 通信および分光法への応用を想定し、マルチウェーブ長光源の生成を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 2次および3次非線形相互作用を両立できるストリップロード型および量子井戸混合AlGaAs波導を用いた。
• CMOSプロセスと適合する高屈折率のドーピングされたシリカガラス波導を採用した。
• AlGaAs波導において、100 nmを超える帯域幅で可変周波数差動発生を実証した。
• AlGaAs波導において広帯域自己位相変調および可変周波数四波混合を達成した。
• ドーピングされたシリカガラスで作られたマイクロリング共振器において、低電力連続波四波混合を実現した。
• 高Qファクター共振器を用いたハイパーパラメトリック発振を実証し、統合型マルチウェーブ長光源の生成を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合AlGaAs波導は、波長変換に適した広帯域かつ可変周波数の差動周波数発生を実現できるか？
• RQ2 統合AlGaAsプラットフォームにおいて、自己位相変調および四波混合はどの程度達成可能か？
• RQ3 CMOS互換性を持つ高屈折率ドーピングシリカガラス波導において、低電力四波混合を効率的に実現できるか？
• RQ4 ドーピングシリカガラスに作られた高Qマイクロリング共振器は、マルチウェーブ長光源生成のためのハイパーパラメトリック発振を可能にするか？
• RQ5 これらの統合非線形光デバイスは、通信および計測分野における実世界の応用において、どの程度スケーラブルで実用的か？

主な発見

• AlGaAs波導において、100 nmを超える帯域幅で可変周波数差動発生が実証された。
• ストリップロード型AlGaAs波導において広帯域自己位相変調が達成され、超広帯域非線形周波数変換が可能になった。
• AlGaAs波導において、実験的に可変周波数四波混合が実現され、動的波長変換が可能となった。
• 高屈折率ドーピングシリカガラスで作られたマイクロリング共振器において、低電力連続波四波混合が実証され、ポンプ電力はミリワットレベルであった。
• 高品質因子共振器においてハイパーパラメトリック発振が観測され、チップ上での複数のコherent波長の生成が可能になった。
• CMOS互換材料を用いた非線形プロセスの統合は、スケーラブルでマルチウェーブ長光集積回路の実現に道を拓いた。