[論文レビュー] Erbium-doped lithium niobate thin film waveguide amplifier with 16 dB internal net gain

Minglu Cai, Kan Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、2.58-cmの長さで16.0 dBの内部ネットゲインを達成する、非常に効率的なイッソウドリチウムニオブ酸化物インシュレータ上にドープされたエルビウム（Er:LNOI）波guidesアンプを提示している。信号増幅は27.94 dB、4.59 dB/mWのパワー変換効率、1531.6 nmで4.49 dBのノイズ指数を達成しており、薄膜リチウムニオブ酸化物の高い光閉じ込め効果と低損失特性を活用することで、希土類元素イオンの高濃度ドーピングと効率的なポンプエネルギーから信号へのエネルギー移動を実現している。

ABSTRACT

Erbium-doped lithium niobate on insulator (Er:LNOI) has attracted enormous interest as it provides gain and enables integrated amplifiers and lasers on the lithium niobate on insulator (LNOI) platform. We demonstrate a highly efficient waveguide amplifier on Er:LNOI. The 2.58-cm long amplifier can achieve 27.94 dB signal enhancement, 16.0 dB internal net gain (6.20 dB/cm), -8.84 dBm saturation power, 4.59 dB/mW power conversion efficiency, and 4.49 dB noise figure at 1531.6 nm. Besides, thorough investigation on the pumping wavelength, pumping scheme, output power and noise figure have been performed to provide a comprehensive understanding on this novel waveguide amplifier. This work will benefit the development of a powerful gain platform and can pave the way for a fully integrated photonic system on LNOI platform.

研究の動機と目的

• チップ上での光増幅を実現する、コンactで統合されたErドーピングリチウムニオブ酸化物インシュレータ上（Er:LNOI）プラットフォームに、波guidesアンプを開発すること。
• 効率的なポンプ吸収と最小限の伝送損失を実現した波guides構造において、高い内部ネットゲインと低いノイズ指数を達成すること。
• ポンピング波長、ポンピング方式、出力パワー、ノイズ特性の系統的検討を通じて、アンプ性能を最適化すること。
• アンプやレーザーを含む完全に統合された光子回路に、Er:LNOIを実用的プラットフォームとして確立すること。
• 1531.6 nm通信帯域で、高出力、低ノイズ、高効率の光信号増幅を実現すること。

提案手法

• ドーピング制御されたErイオンを含む薄膜リチウムニオブ酸化物を用いて、2.58-cmのEr:LNOI波guidesをフォトリソグラフィーで作製し、増幅媒質とした。
• 980 nmポンプレーザーを用いたダブルパスポンピング方式を採用し、ポンプ吸収を向上させ、励起状態の人口逆転を最大化した。
• リッジ波guides幾何構造を採用することで、信号およびポンプモードを効果的に閉じ込め、モード重なりとゲイン効率を向上させた。
• 内部ネットゲイン、信号増幅、飽和出力パワー、パワー変換効率、ノイズ指数といった主要な性能指標を測定した。
• 最適な動作条件を特定するために、さまざまなポンプ出力および波長での系統的特性評価を実施した。
• パワー変換効率は、出力信号パワーを入力ポンプパワーで割った値を1 mWあたりに正規化して算出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適なポンピング条件下で、Er:LNOI波guidesアンプが達成可能な最大内部ネットゲインは何か？
• RQ2 ポンプパワーおよび波長が、信号ゲイン、ノイズ指数、および飽和特性に与える影響は何か？
• RQ3 1531.6 nmにおけるEr:LNOI波guidesアンプのパワー変換効率およびノイズ性能は何か？
• RQ4 波guidesの幾何構造および材料プラットフォーム（Er:LNOI）は、低伝送損失および高ゲイン効率にどのように寄与しているか？
• RQ5 Er:LNOIプラットフォームは、高性能でコンactかつ統合可能な光増幅器を実現できるか？

主な発見

• 2.58-cmの長さで16.0 dBの内部ネットゲインを達成し、ゲイン係数は6.20 dB/cmに相当する。
• 27.94 dBの信号増幅を示し、入力信号の強力な増幅が確認された。
• -8.84 dBmの飽和出力パワーが測定され、中程度の出力パワー耐性を示した。
• パワー変換効率は4.59 dB/mWに達し、ポンプから信号へのエネルギー移動が効果的に行われた。
• ノイズ指数は4.49 dBで測定され、感度の高い光信号処理に適した低ノイズ性能を示した。
• 包括的な特性評価により、さまざまなポンプ出力および波長で安定的かつ効率的な動作が確認され、統合光子回路への応用可能性が裏付けられた。