[论文解读] Ultra-low power nonlinear optics in a high Q CMOS compatible integrated micro-ring resonator

Marcello Ferrera, D. Duchesne+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用 23

一句话总结

本论文展示了在基于高掺杂高折射率石英玻璃的CMOS兼容高Q因子微环谐振器中实现超低功耗连续波四波混频，实现了120万Q因子的记录性转换效率，并在超过160 nm的带宽内实现相位匹配，使集成光子电路在适合的功率水平下实现高效非线性光学成为可能。

ABSTRACT

We demonstrate efficient, low power, continuous-wave four-wave mixing in the C-band, using a high index doped silica glass micro ring resonator having a Q-factor of 1.2 million. A record high conversion efficiency for this kind of device is achieved over a bandwidth of 20nm. We show theoretically that the characteristic low dispersion enables phase-matching over a bandwidth > 160nm.

研究动机与目标

• 在集成光子电路中实现高效非线性光学过程，且输入功率极低。
• 克服传统非线性波导中高泵浦功率需求的挑战。
• 开发一种可扩展的、低功耗全光信号处理的CMOS兼容平台。
• 在紧凑的微环谐振器中实现高Q因子和宽相位匹配带宽。

提出的方法

• 利用Q因子达120万的高掺杂石英玻璃微环谐振器，以增强光限制和非线性相互作用。
• 采用连续波（CW）四波混频作为主要非线性过程以生成信号。
• 设计谐振器使其工作在低色散区域，以实现宽相位匹配带宽。
• 理论建模证实，由于低色散特性，相位匹配带宽超过160 nm。
• 在C波段实验演示了高转换效率的四波混频。
• 采用CMOS兼容的材料和制造工艺，以确保可扩展性和集成潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在CMOS兼容的微环谐振器中实现超低功耗四波混频，且具有高Q因子？
• RQ2 在连续波工作条件下，此类系统可实现的最大转换效率是多少？
• RQ3 在高Q因子且低色散的微环谐振器中，相位匹配带宽有多宽？
• RQ4 理论预测的相位匹配带宽是否可在C波段中实验验证？
• RQ5 材料色散在实现集成谐振器中宽带非线性过程方面起什么作用？

主要发现

• 在CMOS兼容的微环谐振器中实现了创纪录的高转换效率，Q因子达120万。
• 该器件在C波段实现了高效连续波四波混频，且泵浦功率极低。
• 理论分析预测，由于谐振器中低色散特性，相位匹配带宽超过160 nm。
• 实验测得的高效四波混频带宽达到20 nm，与高Q因子和低损耗一致。
• 高Q因子和CMOS兼容性使得其在片上全光信号处理中具备可扩展的集成潜力。
• 结果验证了利用高Q因子、低色散微环谐振器实现超低功耗非线性光学的可行性。