[論文レビュー] Efficient erbium-doped thin-film lithium niobate waveguide amplifiers

Zhaoxi Chen, Qing Xu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、ホウ酸法を用いたイッソウドリッチド結晶成長、イオンスライス、リソグラフィーを組み合わせて作製された、コンactで効率的なホウ酸リチウム酸化物（LNOI）薄膜波導増幅器を提示する。5-mm波導長と980 nmの21 mWのポンプパワーのみで、1530 nmで5 dBを超えるオンチップネットゲインを達成し、将来的なLNOIプラットフォーム上での統合光回路の重要なアクティブ素子を確立した。

ABSTRACT

Lithium niobate on insulator (LNOI) is an emerging photonic platform with great promises for future optical communications, nonlinear optics and microwave photonics. An important integrated photonic building block, active waveguide amplifiers, however, is still missing in the LNOI platform. Here we report an efficient and compact waveguide amplifier based on erbium-doped LNOI waveguides, realized by a sequence of erbium-doped crystal growth, ion slicing and lithography-based waveguide fabrication. Using a compact 5-mm-long waveguide, we demonstrate on-chip net gain of > 5 dB for 1530-nm signal light with a relatively low pump power of 21 mW at 980 nm. The efficient LNOI waveguide amplifiers could become an important fundamental element in future lithium niobate photonic integrated circuits.

研究の動機と目的

• 新興の酸化リチウムガラス上リチウムナイトライド（LNOI）光子プラットフォーム向けのアクティブ波導増幅器を開発すること。
• LNOI統合光子回路におけるコンパクトで効率的なアクティブ素子の不足を克服すること。
• 薄膜LNOI技術を用いた高機能なイッソウドリッチド波導増幅を実証すること。
• オンチップ光通信および信号処理に適した低ポンプパワー・高ゲイン増幅を実現すること。

提案手法

• 均一な希土類元素ドーピングを達成するため、ホウ酸法を用いてイッソウドリッチドリチウムナイトライド結晶を成長させた。
• イオンスライスを適用して、イッソウドリッチド層を熱酸化シリカ-シリコン基板上に転写し、薄膜LNOIプラットフォームを形成した。
• リソグラフィーを用いた波導プロセスにより、正確な寸法を持つ5-mm長の単モード波導を定義した。
• 980 nmのポンプを用いてイッソウドリッチドイオンを励起し、1530 nmでの誘導放出を可能にした。
• 連続波信号を1530 nmで入力し、ポンプパワーを変化させながらゲインを測定した。
• ネットゲイン、ポンプパワー効率、モード品質の評価を通じて、性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イッソウドリッチド薄膜リチウムナイトライド波導は、低ポンプパワーで高い光ゲインを達成できるか？
• RQ2 スケーラブルなプロセスを用いてLNOIプラットフォーム上にアクティブ波導増幅器を製造することは可能か？
• RQ3 コンパクトな5-mm波導でネット信号増幅を達成するために必要な最小ポンプパワーは何か？
• RQ4 イッソウドリッチドLNOIのゲイン性能は、他の統合希土類元素ドーピングプラットフォームと比べてどうか？

主な発見

• 5-mm長のイッソウドリッチドLNOI波導で、1530 nmで5 dBを超えるネット光ゲインを達成した。
• このゲインを達成するのに980 nmポンプでわずか21 mWのパワーで十分であり、高いポンプ効率を示した。
• 波導は低伝播損失と優れたモード閉じ込めを示し、ポンプエネルギーから信号への効率的エネルギー移動を可能にした。
• 結晶成長、イオンスライス、リソグラフィーを組み合わせたプロセスにより、薄膜プラットフォームへのアクティブドーピングの正確な統合が実現した。
• 今後の光子統合回路におけるアクティブ素子のLNOIプラットフォーム統合の可能性を実証した。