[論文レビュー] A high-gain cladded waveguide amplifier on erbium doped thin-film lithium niobate fabricated using photolithography assisted chemo-mechanical etching

Youting Liang, Junxia Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）を用いてフォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）で作製されたTa2O5二重クラッド構造を有する薄膜リチウニobate on insulator（LNOI）上に高利得を実現したイッテルビウムドープ波guidesアンプを提案する。980 nmでポンプした10 cm長のアンプで、1532 nmで20 dBを超える内部ネットゲインを達成し、モード閉じ込めの向上と伝搬損失の低減により、空気クラッド型と比較して顕著な性能向上を示した。

ABSTRACT

Erbium doped integrated waveguide amplifier and laser prevail in power consumption, footprint, stability and scalability over the counterparts in bulk materials, underpinning the lightwave communication and large-scale sensing. Subject to the highly confined mode and moderate propagation loss, gain and power scaling in such integrated micro-to-nanoscale devices prove to be more challenging compared to their bulk counterparts. In this work, stimulated by the prevalent success of double-cladding optical fiber in high-gain/power operation, a Ta2O5 cladding is employed in the erbium doped lithium niobate (LN) waveguide amplifier fabricated on the thin film lithium niobate on insulator (LNOI) wafer by the photolithography assisted chemomechanical etching (PLACE) technique. Above 20 dB small signal internal net gain is achieved at the signal wavelength around 1532 nm in the 10 cm long LNOI amplifier pumped by the diode laser at ~980 nm. Experimental characterizations reveal the advantage of Ta2O5 cladding in higher optical gain compared with the air-clad amplifier, which is further explained by the theoretical modeling of the LNOI amplifier including the guided mode structures and the steady-state response of erbium ions.

研究の動機と目的

• 高いモード閉じ込めと伝搬損失による統合イッテルビウムドープ波guidesアンプの低利得という課題を克服すること。
• ファイバーアンプにインspiredされた二重クラッド構造を採用することで、マイクロ〜ナノスケールの統合波guidesにおける光学的ゲインと出力パワーのスケーリングを向上させること。
• 新規なプロセス技術を用いた薄膜リチウニオブートン酸化物（LNOI）上にスケーラブルでコンパクトかつ高性能なアンプを実証すること。
• 実験的および理論的分析を通じて、Ta2O5クラッドが空気クラッドよりもゲインを向上させることの優位性を検証すること。

提案手法

• フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）を用いて、リチウニオブートン酸化物オンインシュレーター（LNOI）ウェーハ上に10 cm長のイッテルビウムドープ波guidesをプロセスし、高精度な波guidesパターン形成を実現した。
• 波guidesコアの周囲にタナール酸化タングステン（Ta2O5）クラッド層を導入し、光学モードの閉じ込めを強化し、放射損失を低減した。
• 980 nmのダイオードレーザーをポンプ源として用い、ドープ波guides内のイッテルビウムイオンを励起し、1532 nmで誘導放出を発生させた。
• ガイドモードプロファイルと定常状態におけるイッテルビウムイオン応答の理論的モデリングにより、ゲイン増幅メカニズムを分析した。
• 内部ネットゲイン、伝搬損失、モードフィールド分布の実験的特性評価を通じて、性能の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜リチウニオブートン酸化物波guidesに二重クラッド構造を適用することで、空気クラッド構成と比較して光学的ゲインを顕著に向上させることができるか？
• RQ2 Ta2O5クラッドは、イッテルビウムドープ統合波guidesにおける伝搬損失低減とモード閉じ込めの向上にどの程度寄与するか？
• RQ3 フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）プロセスを用いた10 cm長のイッテルビウムドープLNOIアンプで、980 nmポンプによる実現可能な内部ネットゲインはどの程度か？
• RQ4 ガイドモード構造とイッテルビウムイオンの励起状態ダイナミクスは、統合波guidesアンプにおけるゲインスケーリングにどのように寄与するか？

主な発見

• 10 cm長のイッテルビウムドープLNOI波guidesアンプで、信号波長1532 nmで実験的に20 dBを超える内部ネットゲインを達成した。
• Ta2O5クラッドを有するアンプは、空気クラッド型と比較して顕著に高い光学的ゲインを示し、二重クラッド設計の有効性を確認した。
• 理論的モデリングにより、Ta2O5クラッドによるモード閉じ込めの向上と伝搬損失の低減が、ゲイン向上の主な要因であることが明らかになった。
• フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）技術により、低表面粗さと低伝搬損失を実現する高精度な波guidesプロセスが可能になった。
• 測定された伝搬損失は十分に低く、コンパクトで統合型プラットフォームにおける高利得動作を支えるのに適していた。