[论文解读] Fundamental charge noise in electro-optic photonic integrated circuits

Junyin Zhang, Zihan Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文在基于铌酸锂和钽酸锂的电光光子集成电路中识别出基本电荷噪声——表现为以 $1/f^{1.2}$ 为尺度的频率波动。该噪声源于热力学驱动的载流子密度涨落，通过强泡克尔斯效应转换为折射率涨落，并由于传统热光折射噪声的相干抵消而成为主导噪声源，从而确立约翰逊-奈奎斯特噪声为基于泡克尔斯效应的光子学中的最终极限。

ABSTRACT

Understanding thermodynamical measurement noise is of central importance for electrical and optical precision measurements from mass-fabricated semiconductor sensors, where the Brownian motion of charge carriers poses limits, to optical reference cavities for atomic clocks or gravitational wave detection, which are limited by thermorefractive and thermoelastic noise due to the transduction of temperature fluctuations to the refractive index and length fluctuations. Here, we discover that unexpectedly charge carrier density fluctuations give rise to a novel noise process in recently emerged electro-optic photonic integrated circuits. We show that Lithium Niobate and Lithium Tantalate photonic integrated microresonators exhibit an unexpected Flicker type (i.e. $1/f^{1.2}$) scaling in their noise properties, significantly deviating from the well-established thermorefractive noise theory. We show that this noise is consistent with thermodynamical charge noise, which leads to electrical field fluctuations that are transduced via the strong Pockels effects of electro-optic materials. Our results establish electrical Johnson-Nyquist noise as the fundamental limitation for Pockels integrated photonics, crucial for determining performance limits for both classical and quantum devices, ranging from ultra-fast tunable and low-noise lasers, Pockels soliton microcombs, to quantum transduction, squeezed light or entangled photon-pair generation. Equally, this observation offers optical methods to probe mesoscopic charge fluctuations with exceptional precision.

研究动机与目标

• 识别并表征铁电材料基电光光子集成电路中此前未被观测到的噪声机制。
• 确定此前理论预测的热力学电荷噪声是否在实际电光微腔中显现。
• 评估电荷噪声与传统热光折射噪声在决定集成光子学性能极限中的相对贡献。
• 确立约翰逊-奈奎斯特噪声在基于泡克尔斯效应的集成光子学中作为基本极限的作用，适用于量子与经典应用。
• 证明光学测量可利用这些器件高精度探测介观尺度的电荷涨落。

提出的方法

• 采用平衡外差干涉测量法，利用高 finesse 的法布里-珀罗腔作为相位参考，实现亚赫兹分辨率的本征腔频率噪声测量。
• 通过 PDH 锁定的外部腔面射激光器与波长计，进行直流偏移测量，以在 10 kHz 至 10 MHz 带宽内追踪共振频率的波动。
• 通过调制强度的泵浦激光与边带探测，实施受激驱动的非线性响应测量，以提取相干转移函数。
• 采用分布式反馈激光器的自注入锁定至微腔，并结合异频混频拍频检测，实现高分辨率相位噪声分析。
• 应用矢量网络分析测量待测腔体的复响应函数，从而实现噪声功率谱密度的提取。
• 理论建模考虑了热释电与电光非线性效应，表明由于热释电-电光耦合效应（PyroEO 效应）导致热光折射噪声的相干抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 热力学驱动的载流子密度涨落是否会在电光微腔中产生可测量的光学频率噪声？
• RQ2 在 LiNbO3 和 LiTaO3 微腔中观测到的 $1/f^{1.2}$ 噪声特性与传统热光折射噪声模型相比如何？
• RQ3 铁电材料中的热释电与电光非线性效应在多大程度上导致热光折射噪声的相干抵消？
• RQ4 能否利用腔体频率噪声的光学测量来高灵敏度探测介观尺度的电荷涨落？
• RQ5 电荷噪声在基于泡克尔斯效应的集成光子器件中施加的性能极限是什么？

主要发现

• 铌酸锂与钽酸锂微腔中的电光微腔在 10 kHz 至 10 MHz 频率范围内表现出 $1/f^{1.2}$ 噪声谱，显著偏离标准热光折射噪声预测。
• 观测到的噪声归因于通过强泡克尔斯效应将热力学载流子密度涨落转换为折射率涨落。
• 由于热释电与电光非线性效应的共同作用（即 PyroEO 效应），热光折射噪声发生相干抵消，使电荷噪声成为主导噪声源。
• 结果确立了约翰逊-奈奎斯特噪声为基于泡克尔斯效应的集成光子学的根本极限，影响从超快激光到量子转换的各类应用。
• 观测到的噪声水平与此前未在光学中探测到的热-载流子-折射率（TCCR）噪声理论预测一致。
• 该发现为利用高 Q 值电光微腔作为探测凝聚态系统中介观电荷动力学的高精度探针开辟了新途径。