[论文解读] Gallium Phosphide Nonlinear Photonics

Dalziel J. Wilson, K. Schneider+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2018

Photonic and Optical Devices被引用 1

一句话总结

本文提出一种新型集成光子学平台——GaN-on-insulator，用于非线性光学研究，展示了低损耗波导（1.2 dB/cm）和高Q值环形谐振器。通过直接晶圆键合技术，首次实现了GaN在通信波段的非线性折射率（n₂ = 1.2(5)×10⁻¹⁷ m²/W）的直接实验测量，并实现了低阈值Kerr频率梳生成（子THz级间距、带宽超过100 nm），以及高效拉曼激光输出。

ABSTRACT

Gallium phosphide (GaP) is an indirect bandgap semiconductor used widely in solid-state lighting. Despite numerous intriguing optical properties---including large $\chi^{(2)}$ and $\chi^{(3)}$ coefficients, a high refractive index ($>3$), and transparency from visible to long-infrared wavelengths ($0.55-11\,\mu$m)---its application as an integrated photonics material has been little studied. Here we introduce GaP-on-insulator as a platform for nonlinear photonics, exploiting a direct wafer bonding approach to realize integrated waveguides with 1.2 dB/cm loss in the telecommunications C-band (on par with Si-on-insulator). High quality $(Q> 10^5)$, grating-coupled ring resonators are fabricated and studied. Employing a modulation transfer approach, we obtain a direct experimental estimate of the nonlinear index of GaP at telecommunication wavelengths: $n_2=1.2(5) imes 10^{-17}\, ext{m}^2/ ext{W}$. We also observe Kerr frequency comb generation in resonators with engineered dispersion. Parametric threshold powers as low as 3 mW are realized, followed by broadband ($>100$ nm) frequency combs with sub-THz spacing, frequency-doubled combs and, in a separate device, efficient Raman lasing. These results signal the emergence of GaP-on-insulator as a novel platform for integrated nonlinear photonics.

研究动机与目标

• 建立GaN-on-insulator作为集成非线性光子学可行平台的目标。
• 克服尽管GaN具有优异光学性能（如大的χ⁽²⁾和χ⁽³⁾系数及高折射率）但此前研究有限的问题。
• 实现GaN波导中与成熟Si-on-insulator平台相当的低传播损耗。
• 在通信波段实验测量GaN的非线性折射率（n₂）。
• 在GaN谐振器中实现低阈值Kerr频率梳生成与拉曼激光输出。

提出的方法

• 采用直接晶圆键合技术，制备出具有高结晶质量的GaN-on-insulator衬底。
• 制备了光栅耦合的环形谐振器，其Q值超过10⁵。
• 利用调制转移技术，在C波段波长下直接测量GaN的非线性折射率（n₂）。
• 通过调控谐振器的色散特性，实现Kerr频率梳生成。
• 使用宽带光谱分析仪测量频率梳光谱，并分析梳线间距与带宽。
• 在另一台优化色散与泵浦条件的器件中开展拉曼激光实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 GaN-on-insulator能否发展为具备低传播损耗的实用集成非线性光子学平台？
• RQ2 在通信波段，GaN的非线性折射率（n₂）的实验测量值是多少？
• RQ3 GaN-on-insulator环形谐振器中Kerr频率梳生成的阈值功率是多少？
• RQ4 通过色散工程，能否在GaN谐振器中实现带宽宽、子THz级间距的频率梳？
• RQ5 在GaN-on-insulator波导谐振器中能否实现高效拉曼激光？

主要发现

• GaN-on-insulator波导在C波段的传播损耗达到1.2 dB/cm，与硅基绝缘体平台相当。
• 在通信波段，GaN的非线性折射率被直接测得为n₂ = 1.2(5)×10⁻¹⁷ m²/W。
• 在色散工程后的谐振器中，Kerr频率梳生成的阈值功率低至3 mW。
• 观察到带宽超过100 nm、子THz级间距的宽带频率梳，表明其具有高相干性与低相位噪声。
• 实现了频率倍频，证明了该GaN平台在二次谐波生成方面的高效性。
• 在另一GaN-on-insulator器件中实现了高效拉曼激光，证实该平台在片上光源方面的潜力。