[論文レビュー] Fast-speed and low-power-consumption optical phased array based on thin-film lithium niobate platform

Zhizhang Wang, Xueyun Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、薄膜リチウニオブート（LNOI）プラットフォーム上に実装された高速・低消費電力の光位相配列（OPA）を提示する。32/48チャネルの波導を用いた電気光学的位相変調により、1.11 nJ/πのエネルギー効率と14.4 nsのスイッチング速度を達成した。スパarsely配置された非周期的波導アレイを用いることで、62.2°×8.8°の視野角と0.33°の横方向ビーム発散角を実現し、LNOIプラットフォームがスケーラブルでエネルギー効率の高いOPAの実現可能性を示した。

ABSTRACT

Fast scanning-speed and low-power-consumption are becoming progressively more and more important in realizing high-performance chiplet optical phased arrays (OPAs). Here, we establish an integrated OPA based on thin-film lithium niobate-on-insulator (LNOI) platform to access these outstanding performances. Significantly, a lithium niobate (LN) OPA chip is implemented by 32/48 channels LN waveguides enabled by electro-optic modulations, which showcases the low power consumption (1.11nJ/π}) and fast operation speed (14.4 ns) promising the advantage of the LNOI platform for integrated OPAs. As results, we experimentally achieved a beam steering with a 62.2°*8.8° field of view (FOV) and a beam divergence of 2.4°*1.2°. Moreover, by employing sparse aperiodic arrays in waveguides design we obtained a significant reduction of lateral divergence to 0.33° for the radiation beam. This work demonstrate that remarkable advantage of LNOI platform for power-saving and scalable OPA chips for various applications.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクスシステムにおける高速・低消費電力の光ビームスティアリングの増大するニーズに対応する。
• 従来のOPAプラットフォームの消費電力とスイッチング速度に関する制限を克服する。
• スケーラブルで高機能な統合OPAの実現可能性を、薄膜リチウニオブートオンインシュレーター（LNOI）プラットフォームを用いて示す。
• 革新的な波導アレイ設計によりビーム発散角を最小限に抑えて指向性と角度分解能を向上させる。

提案手法

• 高い電気光学係数と低伝送損失を実現するため、薄膜リチウニオブートオンインシュレーター（LNOI）プラットフォームを採用した。
• 電気光学的位相シフターを内蔵した32/48チャネルの統合波導を実装し、電圧制御による位相変調によりビームスティアリングを実現した。
• グレーティング lobes（グレーティング lobes）の抑制と横方向ビーム発散角の低減を目的として、波導レイアウトにスパarsely配置された非周期的アレイ構造を採用した。
• 電極の幾何形状と駆動電圧を最適化することで、15 ns未満のスイッチング速度を達成し、クロストークを最小限に抑えた。
• 全角度範囲にわたる近場および遠場特性測定を実施し、ビームスティアリング性能を評価した。
• 適用電圧と静電容量から導出されるエネルギー効率を1.11 nJ/π（位相シフター1個あたり）として計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LNOIプラットフォームは、低消費電力で、統合OPAにおいて15 ns未満のスイッチング速度を達成できるか？
• RQ2 均一なアレイと比較して、スパarsely配置された非周期的波導アレイは、横方向ビーム発散角をどの程度低減できるか？
• RQ3 LNOIを用いたコンactなチップ統合OPAにおいて、実現可能な視野角とビーム品質は何か？
• RQ4 LNOIの電気光学係数は、位相シフターにおける低消費電力動作をどのように可能にするか？
• RQ5 LNOI上に32/48チャネルを統合することで、高い指向性を実現する広角ビームスティアリングが可能か？

主な発見

• OPAは14.4 nsのスイッチング速度を達成し、高速ビームスティアリング能力を実証した。
• 1位相シフターあたり1.11 nJ/πの消費電力が測定され、顕著な低消費電力効率を示した。
• 62.2°×8.8°の視野角が実験的に実現され、広角ビームスティアリングを可能にした。
• スパarsely配置された非周期的波導アレイを用いることで、ビーム発散角が0.33°まで低減され、指向性が著しく向上した。
• 最適化前の初期構成では、全波長半値幅（FWHM）のビーム発散角が2.4°×1.2°であった。
• LNOIプラットフォームにより、クロストークが低く、全チャネルで安定した位相制御が可能な高機能OPA動作が実現された。