[论文解读] AlGaAs-On-Insulator Nonlinear Photonics

Minhao Pu, Luisa Ottaviano+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 36被引用 108

一句话总结

本文展示了AlGaAs-on-insulator作为一种高性能集成非线性光子学平台，实现了记录最低阈值的光学参量振荡（3 mW），并在Q因子超过100,000的微腔中生成了350 nm带宽的频率梳。通过先进制造工艺，克服了以往在加工和有效非线性方面的挑战，实现了在通信波段高效生成克尔频率梳。

ABSTRACT

The combination of nonlinear and integrated photonics has recently seen a surge with Kerr frequency comb generation in micro-resonators as the most significant achievement. Efficient nonlinear photonic chips have myriad applications including high speed optical signal processing, on-chip multi-wavelength lasers, metrology, molecular spectroscopy, and quantum information science. Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) exhibits very high material nonlinearity and low nonlinear loss when operated below half its bandgap energy. However, difficulties in device processing and low device effective nonlinearity made Kerr frequency comb generation elusive. Here, we demonstrate AlGaAs-on-insulator as a nonlinear platform at telecom wavelengths. Using newly developed fabrication processes, we show high-quality-factor (Q>100,000) micro-resonators with integrated bus waveguides in a planar circuit where optical parametric oscillation is achieved with a record low threshold power of 3 mW and a frequency comb spanning 350 nm is obtained. Our demonstration shows the huge potential of the AlGaAs-on-insulator platform in integrated nonlinear photonics.

研究动机与目标

• 开发一种基于AlGaAs-on-insulator的高性能集成非线性光子学平台，以实现高效的频率梳生成。
• 克服以往在AlGaAs中阻碍克尔频率梳生成的器件加工和有效非线性低下的挑战。
• 实现具有集成直波导的高品质因子微腔，以增强非线性相互作用。
• 在通信波段实现低阈值光学参量振荡和宽谱带频率梳。
• 确立AlGaAs-on-insulator作为光学信号处理、计量学和量子信息技术应用的可行平台。

提出的方法

• 利用具有高材料非线性和低于带隙能量一半的非线性损耗的AlGaAs-on-insulator衬底。
• 开发新型制造工艺，以实现具有集成直波导的高品质因子（Q > 100,000）微腔。
• 设计平面光子电路，以支持微腔中高效耦合与非线性相互作用。
• 在通信波段运行器件，以实现与现有光通信系统的兼容性。
• 采用泵浦激光激发克尔非线性，启动参量振荡与频率梳形成。
• 使用光谱表征测量参量振荡的阈值功率与频率梳带宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 AlGaAs-on-insulator能否实现适用于通信波段非线性光子学的高品质因子微腔？
• RQ2 在AlGaAs-on-insulator微腔中实现光学参量振荡所需的最小泵浦功率是多少？
• RQ3 该平台能否以低阈值功率生成跨越350 nm以上的宽频带频率梳？
• RQ4 与以往基于AlGaAs的平台相比，其有效非线性和器件质量如何？
• RQ5 AlGaAs-on-insulator平台在光学信号处理与量子技术中的实际应用潜力有多大？

主要发现

• 在AlGaAs-on-insulator微腔中实现了记录最低阈值的光学参量振荡，泵浦功率仅为3 mW。
• 生成了跨越350 nm的频率梳，展示了宽谱带与高相干性。
• 微腔表现出超过100,000的品质因子，表明传播损耗低且能量约束能力强。
• 由于材料非线性高且非线性损耗低于带隙能量的一半，该平台实现了高效的非线性相互作用。
• 平面电路设计中的集成直波导实现了与谐振腔稳定且高效的耦合。
• 结果确立了AlGaAs-on-insulator作为未来集成非线性光子器件的极具前景的平台。