[論文レビュー] Breaking voltage-bandwidth limits in integrated lithium niobate modulators using micro-structured electrodes

Prashanta Kharel, Christian Reimer+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 2被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、薄膜リチウムナギニ酸塩（LN） modulator上のセグメント化されたマイクロ構造移動波電極を用いてRF損失を劇的に低減し、高帯域幅でサブボルト駆動を実現したことを示す。1 GHzで1.3 V DC Vπ、50 GHzで1.6 V、50 GHzで1.8 dB EOロールオフを達成。

ABSTRACT

Electro-optic modulators with low voltage and large bandwidth are crucial for both analog and digital communications. Recently, thin-film lithium niobate modulators have enable dramatic performance improvements by reducing the required modulation voltage while maintaining high bandwidths. However, the reduced electrode gaps in such modulators leads to significantly higher microwave losses, which limit electro-optic performance at high frequencies. Here we overcome this limitation and achieve a record combination of low RF half-wave voltage of 1.3 V while maintaining electro-optic response with 1.8-dB roll-off at 50 GHz. This demonstration represents a significant improvement in voltage-bandwidth limit, one that is comparable to that achieved when switching from legacy bulk to thin-film lithium niobate modulators. Leveraging the low-loss electrode geometry, we show that sub-volt modulators with $>$ 100 GHz bandwidth can be enabled.

研究の動機と目的

• アナログおよびデジタル通信向けの低電圧・高帯域幅電気光学変調を動機づけ、実用化する。
• 薄膜LNモジュレータにおけるマイクロ波損失の限界を克服しつつ、変調効率と速度を維持する。
• セグメンテーションと低誘電率基板により、サブボルト駆動でEO帯域を>100 GHzへ押し上げられることを示す。
• セグメント化電極の性能を通常設計と比較し、損失と帯域幅の利得を定量化する。

提案手法

• 石英基板上のトラベリングウェーブ薄膜LNモジュレータを用いて、低RF損失と速度整合を実現する。
• 狭いギャップから電流を逸らすマイクロ構造（セグメント化）電極を導入し、オーミック損失を低減する。
• HFSSで電極設計をシミュレーションし、Vπ・L、インピーダンス、RF損失、推定EO帯域を比較する。
• LN-on-quartzデバイスを、600 nm LNと800 nm Au電極、1 μm SiO2クラディング、20–20 mmの電極長で製作する。
• 50 Ω VNAデ-エンベッド測定によるRF損失と、1560 nm光によるEO性能を評価する。
• DC/1 GHzでのVπを測定し、50 GHzまでのEOロールオフを測定し、シミュレーションおよび従来設計と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜LN上のセグメント化マイクロ構造電極は、変調効率を犠牲にせずRF損失を低減できるか。
• RQ2 基板の誘電率と電流集中が速度整合とEO帯域幅に及ぼす影響は何か。
• RQ3 マイクロ構造電極を用いて、従来の薄膜LNモジュレータを超えた電圧-帯域幅性能をどこまで引き出せるか。
• RQ4 サブボルト駆動で>100 GHzのEO帯域幅を実現する上での現実的な限界（損失、速度ミスマッチ）は何か。

主な発見

Electrode design (substrate)	Signal width (μm)	Gap (μm)	Vπ · L (V · cm)	Z (Ω)	RF loss (dB cm^-1 GHz^-1/2)	Est.3-dB EO bandwidth for Vπ,DC=1 V (GHz)
Regular (Si)	30	5	2.1	39	0.75	27
Regular (Si)	30	7	2.6	45	0.64	25
Regular (Si)	30	10	3.7	48	0.57	17
Regular (Q)	100	5	2.1	41	0.37	13*
Segmented (Q)	100	5	2.1	42	0.21	228

• LN-on-quartz上のセグメント化（マイクロ構造）電極は、50 GHzでのRF損失を7 dB/cmから2 dB/cmへ劇的に低減する（10 mmデバイス）。
• 測定されたRF位相指数は2.23で、シミュレーションと整合し、LN光学群指数（約2.2）との良好な速度整合を可能にする。
• DCでのVπは20 mmモジュレータで1.35 V、50 GHzでのRF Vπは同じデバイスで1.6 V、50 GHzで1.8 dB EOロールオフを達成。
• 10 mmのセグメント化デバイスは、50 GHzでDC/1 GHz Vπに対するロールオフが0.8 dBにとどまり、測定全域でS11 < -15 dB。
• シミュレーションと測定は、セグメント化設計が20 mm長で約228 GHzの3-dB EO帯域幅を達成可能であり、通常設計を大幅に上回ることを示す。
• 外挿によれば、低誘電率基板上でサブボルトモジュレータが>100 GHzの帯域幅を実現可能であり、20 mm長では伝導損失制約で>180 GHzの帯域幅の可能性も示唆される。