[論文レビュー] A power-efficient integrated lithium niobate electro-optic comb generator

Ke Zhang, Wenzhao Sun+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、低損失モード multiplexer および波導クロスオーバーを備えた、4回の往復光路を経由する変調電極を用いることで、広帯域な周波数コンブを生成する、電力効率の高いリチウムニオブート電気光学的周波数コンブ生成器を提案する。光信号を電極を4回通過させることで、位相変調効率が顕著に向上し、電気的消費電力が1桁以上低減され、25 GHzの繰り返し周波数で47本のコンブラインを28 dBm（0.63 W）のRF駆動電力で達成する。

ABSTRACT

Integrated electro-optic (EO) frequency combs are essential components for future applications in optical communications, light detection and ranging, optical computation, sensing and spectroscopy. To date, broadband on-chip EO combs are typically generated in high-quality-factor micro-resonators, while the more straightforward and flexible non-resonant method, usually using single or cascaded EO phase modulators, often requires high driving power to realize a reasonably strong modulation index. Here, we show that the phase modulation efficiency of an integrated lithium niobate modulator could be dramatically enhanced by passing optical signals through the modulation electrodes for a total of 4 round trips, via multiple low-loss TE0/TE1 mode multiplexers and waveguide crossings, reducing electrical power consumption by more than one order of magnitude. Using devices fabricated from a wafer-scale stepper lithography process, we demonstrate a broadband optical frequency comb featuring 47 comb lines at a 25-GHz repetition rate, using a moderate RF driving power of 28 dBm (0.63 W). Leveraging the excellent tunability in repetition rate and operation wavelength, our power-efficient EO comb generator could serve as a compact low-cost solution for future high-speed data transmission, sensing and spectroscopy, as well as classical and quantum optical computation systems.

研究の動機と目的

• 統合プラットフォーム上での非共鳴型電気光学的周波数コンブ生成器の高い電気的消費電力という課題に対処すること。
• 高Qのマイクロレゾネーターに依存せずに、統合リチウムニオブート変調器における位相変調効率を向上させること。
• 実用的な光学通信およびセンシング用途に適した、広帯域かつチューナブルな低消費電力周波数コンブを実現すること。
• 高性能統合電気光学デバイスのスケーラブルかつウェーハスケールのプロセスを実証すること。

提案手法

• 光学信号が複数の低損失TE0/TE1モード multiplexer および波導クロスオーバーを介して、同じ電気光学的変調電極を4回通過する。
• 4回の往復による累積的位相変調効果により、RF駆動電力の増加なしに有効な変調指数が顕著に向上する。
• ウェーハスケールのステッパー光リソグラフィーを用いてデバイスをフォーマットし、高い出荷率とスケーラビリティを確保する。
• デバイスは非共鳴型電気光学的コンブ生成器として動作し、周期的にポールドされたリチウムニオブート波導における位相変調に依存する。
• 設計はリチウムニオブートの高い電気光学係数を活用し、最適化されたモード変換およびルーティングにより、伝搬損失を最小限に抑える。
• 25-GHzの繰り返し周波数と28 dBmのRF駆動信号を用いて、実験的にシステムを特徴付け、広帯域周波数コンブを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電極を複数回通過させる光学的往復路を用いることで、統合リチウムニオブート変調器の位相変調効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 このアプローチを用いた非共鳴型低消費電力電気光学的コンブ生成器で、得られる最大のコンブライン数は何か？
• RQ3 多パス構成における往復回数の増加に伴い、電気的消費電力はどのように変化するか？
• RQ4 この統合プラットフォームにおいて、コンブの繰り返し周波数および中心波長をどの程度チューニング可能か？
• RQ5 このアプローチは、サブワットのRFパワーを用いながらも、低伝搬損失を維持した広帯域コンブ生成を実現できるか？

主な発見

• デバイスは25-GHzの繰り返し周波数で47本の明確に分離されたコンブラインを持つ広帯域光学周波数コンブを生成する。
• この性能は、わずか28 dBm（0.63 W）のRF駆動電力で達成されており、従来の非共鳴型アプローチと比較して、電気的消費電力が1桁以上低減されている。
• 電極を通る4回の往復光路により位相変調効率が向上し、中程度のRFパワーで強力な変調が可能になる。
• デバイスは繰り返し周波数および中心波長の両方で優れたチューナビリティを示し、多様な応用に柔軟に適合できる。
• ウェーハスケールのステッパー光リソグラフィーの使用により、複雑なマルチパス波導構造のスケーラブルかつ高出荷率のフォーマットが可能になる。
• 低損失モード multiplexer および波導クロスオーバーにより、複数回の通過においても信号整合性が維持され、挿入損失およびクロストークが最小限に抑えられる。