[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文展示了一种基于GaAs光子晶体腔的100 GHz集成全光开关，通过原子层沉积（ALD）Al₂O₃实现表面钝化，有效降低表面复合速率并优化载流子寿命至约12 ps。该器件在100 GHz频率下实现7 dB调制对比度，单脉冲能量仅为100 fJ，实现了在通信波段下低功耗、高速度的全光信号处理，且与光子集成电路具有高度兼容性。

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

研究动机与目标

• 实现集成光子电路中高速、低能耗、兼容通信波段的超快全光开关。
• 解决基于GaAs的光子晶体开关中载流子复合速度慢的问题，该问题限制了开关速度与效率。
• 优化GaAs光子晶体腔中的载流子寿命，使其匹配100 GHz操作所需的4.5 ps脉宽。
• 利用低泵浦功率在高重复频率下实现实际的全光调制与波长转换。
• 通过原子层沉积（ALD）表面钝化实现亚10 ps的开关动态响应。

提出的方法

• 采用原子层沉积（ALD）在GaAs光子晶体表面均匀涂覆Al₂O₃，使表面复合速率降低一个多数量级。
• 器件采用由两个耦合的H₀光子晶体腔构成的光子分子结构，通过自由载流子引起的折射率变化实现高对比度透射调制。
• 利用2 ps探测脉冲进行时间分辨泵浦-探测测量，结合70 GHz采样示波器与低噪声EDFA检测透射探测光功率，表征开关动态特性。
• 采用迈克尔逊干涉仪生成具有可调延迟（Δt从0到40 ps）的两脉冲泵浦光脉冲列，以测试高重复频率响应。
• 通过ALD钝化调节载流子寿命，实现最优12 ps弛豫时间，与4.5 ps泵浦脉宽精确匹配以实现最大效率。
• 通过主动调节探测光波长相对于腔共振波长，补偿热漂移，保持最佳对比度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GaAs光子晶体腔中，ALD表面钝化是否能有效降低表面复合速率并优化载流子寿命，以实现超快全光开关？
• RQ2 当载流子寿命被调节至匹配脉宽时，集成全光开关的最大可实现调制带宽是多少？
• RQ3 在紧凑集成平台上，能否以低平均泵浦功率（≤0.5 mW）实现2.5 GHz重复率下的波长转换，并保持高对比度？
• RQ4 热漂移如何影响高重复频率下的开关性能？是否可有效抑制？
• RQ5 当使用少芬焦耳量级的光学脉冲驱动时，器件的本征开关响应（上升/下降时间）是多少？

主要发现

• 通过ALD沉积Al₂O₃，成功将GaAs光子晶体腔中的载流子寿命优化至12 ps，与4.5 ps泵浦脉宽近乎完美匹配。
• 在100 GHz频率下，使用100 fJ/脉冲能量实现了最大7 dB的开关对比度，证明了高效全光调制。
• 器件的1/e开关窗口为12 ps，上升与下降时间与100 GHz调制带宽一致。
• 在2.5 GHz重复率下实现了波长转换，平均泵浦功率为0.5 mW，最大对比度达7 dB，其性能在更高重复率下受热漂移限制。
• 两列间隔10 ps、脉宽2 ps的泵浦脉冲列产生清晰且不重叠的响应，证实了100 GHz稳定工作。
• 在10 GHz重复率下，热效应变得显著，因温度升高3 K导致150 pm红移，造成对比度下降并使腔体偏离共振。