[论文解读] Inverse-designed photonic circuits for fully passive, bias-free Kerr-based nonreciprocal transmission and routing

Ki Youl Yang, Jinhie Skarda+7 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 46被引用 50

一句话总结

该论文在硅基光子学上展示了完全被动、无偏置的 Kerr 非线性非对称传输与路由，使用逆设计的 Fano 反射器和级联的 Fano-Lorentz 共振腔实现高前向传输与宽 NRIR，并展示了片上 LIDAR 演示。

ABSTRACT

Nonreciprocal devices such as isolators and circulators are key enabling technologies for communication systems, both at microwave and optical frequencies. While nonreciprocal devices based on magnetic effects are available for free-space and fibre-optic communication systems, their on-chip integration has been challenging, primarily due to the concomitant high insertion loss, weak magneto-optical effects, and material incompatibility. We show that Kerr nonlinear resonators can be used to achieve all-passive, low-loss, bias-free, broadband nonreciprocal transmission and routing for applications in photonic systems such as chip-scale LIDAR. A multi-port nonlinear Fano resonator is used as an on-chip, all-optical router for frequency comb based distance measurement. Since time-reversal symmetry imposes stringent limitations on the operating power range and transmission of a single nonlinear resonator, we implement a cascaded Fano-Lorentzian resonator system that overcomes these limitations and significantly improves the insertion loss, bandwidth and non-reciprocal power range of current state-of-the-art devices. This work provides a platform-independent design for nonreciprocal transmission and routing that are ideally suited for photonic integration.

研究动机与目标

• 激发并实现无需磁偏置或外部调制的片上非对称光子器件。
• 在硅光子学中设计并展示基于 Kerr 的全被动非对称传输与路由。
• 通过级联非线性共振腔放宽传统单一共振腔带宽-透射之权衡。

提出的方法

• 使用光子学逆向设计（SPINS）来创建产生 Fano 共振的逆向设计反射器，在硅条形谐振腔中。
• 实现非对称耦合以破坏前向/后向对称性，并在透射光谱中实现非互易性。
• 表征单个 Fano 共振腔器件以验证基本的 TNRIR 界限。
• 将一个 Fano 共振腔与一个具有光刻控制的相位延迟的洛伦兹共振腔级联，以在保持高前向透射的同时扩展工作带宽。
• 在脉冲、频率梳基的设置中，展示片上路由和使用非对称器件的光学距离测量（LIDAR）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Kerr 非线性硅谐振腔是否能够实现偏置自由、全被动非互易性？适用于集成光子学吗？
• RQ2 单谐振腔 Kerr 非互易器件的实际性能（插入损耗、NRIR、带宽）如何，是否可通过级联谐振腔改善？
• RQ3 逆向设计是否能够为芯片尺度应用（例如 LIDAR）实现鲁棒、宽带、低损耗的非互易性与可路由性？
• RQ4 该器件是否支持高速脉冲操作并能集成到一个功能性的光学测距系统中？

主要发现

• 在硅基上实现的 Fano 非互易器件在前向与后向传输对比度方面达到最高 24.7 dB（最小 13.4 dB），插入损耗 1.3 dB，NRIR 为 3.9 dB，加载功率范围为 4.55–8.15 dBm。
• 实验显示单个共振腔器件满足基本界 T ≤ 4·NRIR/(NRIR+1)^2，限制前向传输相对于 NRIR。
• 将 Fano 与洛伦兹共振腔级联并具有受控的相位延迟，在 NRIR>6 dB 时实现近乎单位的前向透射（>99%），打破单一共振腔界限。
• 在级联共振腔中演示了带宽隔离和高前向透射，在某些配置下插入损耗为 0.04–0.22 dB。
• 该器件实现片上脉冲雷达/类 LIDAR 的测距，使用基于频率梳的信源实现高达 60 m 的距离测量，同时保护泵浦免受反射影响。
• 该方法提供了一种平台无关的设计方法，用于在硅光子学中实现被动、无偏置非互易传输与路由，具有集成 LIDAR 与光子信号处理的潜力。