Nonreciprocity and nonlinearity in polymer photonic integrated circuits

Conradi, Hauke

Inst. Festkörperphysik

Optical isolators and circulators are used in optics to protect sensitive elements, such as lasers, from unwanted feedback. Especially in sensing, optical circulators also enable the bidirectional transmission of optical paths. A fundamental requirement of optical isolators and circulators is that they break Lorentz reciprocity, thus both components are classified as non-reciprocal elements. In this work, the implementation of non-reciprocal elements in polymer-based photonic circuits via collimated chip-integrated free-space sections is demonstrated. Optical isolators are realized by integrating a separately assembled free-space isolator into this free-space section. In addition to a fundamental characterization, a co-integration of a tunable distributed Bragg reflector laser together with an isolator is demonstrated for the first time in integrated photonics. With measured optical loss below 1 dB and an optical isolation greater than 40 dB, the isolator shows comparable performance to commercial isolators in free-space optics. Circulators based on free-beam integrated Faraday rotators and polarization beam splitters are realized in a first variant and based on a Mach-Zehnder interferometric approach in a second demonstrator. Due to the ferrimagnetic properties of the Faraday rotators, the circulators also act as latching switches that require energy supply only during the active switching process. Measured optical losses of the circulators are in the range of 4 - 8 dB with an optical isolation of 9 - 18 dB. The integration of free-space sections in integrated optics enables a variety of other applications beyond the implementation of non-reciprocal elements. In the second part of this thesis, the integration of nonlinear lithium niobate crystals for second-harmonic generation from 1550 nm to 775 nm is demonstrated. Using a continuous-wave laser and a femtosecond pulse laser, not only the second but also the third and fourth harmonics in the visible wavelength range are observed due to higher-order phase-matching. In addition to the chip-demonstrators mentioned above, this work describes the fundamentals and physics of chip-integrated free-space sections using graded-index lenses, called the micro-optical bench. The fundamentals of this work are easily applicable to the integration of other free-space materials, enabling a multitude of new applications normally not feasible in integrated photonics. Thus, this work enables a bridge between optical bench experiments and integrated optics.
Optische Isolatoren und Zirkulatoren finden in der Optik zum einen Verwendung für den Schutz von Lasern vor ungewolltem optischen Feedback und zum anderen ermöglichen Zirkulatoren, vor allem in der Sensorik, die bidirektionale Transmission optischer Pfade. Eine fundamentale Anforderung an optische Isolatoren und Zirkulatoren ist, dass sie die Lorentz-Reziprozität brechen, weshalb beide Komponenten den nichtreziproken Elementen zugeordnet werden. In dieser Arbeit wird die Integration nichtreziproker Elemente für die Realisierung optischer Isolatoren und Zirkulatoren in eine polymerbasierte photonische Integrationsplattform demonstriert. Die Integration der hierfür benötigten Faraday Rotatoren erfolgt über Chip-integrierte Freistrahlbereiche, die das Einsetzen optischer Materialien ermöglichen. Die Realisierung des optischen Isolators erfolgt über die Integration eines Freistrahlisolators in das PolyBoard, wobei neben einer fundamentalen Charakterisierung des Isolators erstmals die Co-Integration mit einem abstimmbaren Distributed Bragg-Reflektor Lasers mit Isolator demonstriert wird. Mit gemessenen optischen Verlusten unterhalb von einem dB und einer optischen Isolation größer als 40 dB zeigt der Isolator eine vergleichbare Performance zu kommerziellen Isolatoren in der Freistrahloptik. Neben Isolatoren werden Zirkulatoren auf Basis von freistrahlintegrierten Faraday Rotatoren und Polarisationsstrahlteilern in einer ersten Variante und auf Basis eines Mach-Zehnder-interferometrischen Ansatzes in einem zweiten Demonstrator realisiert. Aufgrund der ferrimagnetischen Eigenschaften der Faraday Rotatoren fungieren die Zirkulatoren ebenfalls als selbsthaltende Schalter, die nur während des aktiven Schaltvorgangs Energiezufuhr benötigen. Gemessene optische Verluste der Zirkulatoren liegen im Bereich von 4 – 8 dB bei einer optischen Isolation von 9 – 18 dB. Die Einbringung von Freistrahlbereichen in der integrierten Optik ermöglicht neben der Implementation nichtreziproker Elemente eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wird die Integration nichtlinearer Lithiumniobat-Kristalle für Frequenzverdopplung demonstriert. Mit Hilfe eines Dauerstrichlasers und eines Femtosekunden Pulslasers wird dabei nicht nur die Erzeugung der zweiten, sondern auch der dritten und vierten Harmonischen im sichtbaren Wellenlängenbereich und somit die erste Erzeugung von sichtbarem Licht auf der verwendeten Polymer-Plattform demonstriert. Neben den genannten konkreten Anwendungsbeispielen beschreibt diese Arbeit die theoretischen Grundlagen von chipintegrierten Freistrahlbereichen mit Hilfe von GRIN-Linsen, genannt mikrooptische Bank, welche eine Vielzahl weiterer Anwendungsfelder eröffnet und eine Brücke zwischen der Freistrahloptik und der integrierten Optik bildet.