[論文レビュー] GHz-rate optical phase shift in light matter interaction-engineered, silicon-ferroelectric nematic liquid crystals

Iman Taghavi, Omid Esmaeeli+11 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2024

Liquid Crystal Research AdvancementsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、フィン型負荷付きスリットなし波ガイドを用いて光・物質相互作用を強化することで、ポリング不要なギガヘルツ（GHz）レートのエレクトロオプティカル（EO）位相シフタを、シリコン・鉄電性ネマチック液晶（Si-FN-LC）を用いて開発した。このデバイスは、4.18 GHzを超えるEO帯域幅、0.25 V·mmのDC変調効率、25.7 V·mmのAC効率を達成し、オンチップ損失は約4 dBであり、複雑なポリングやプロセスを必要とせず、CMOS準拠で高速なシリコンフォトニクス統合を可能にする。

ABSTRACT

Organic electro-optic materials have demonstrated promising performance in developing electro-optic phase shifters. Their integration with other silicon photonic processes, nanofabrication complexities, and durability remains to be developed. While the required poling step in electro-optic polymers limits their potential and utilization on a large scale, devices made of paraelectric nematic liquid crystals suffer from slow bandwidth. In ferroelectric nematic liquid crystals, we report an additional GHz-fast phase shift that ultimately allows for significant second-order nonlinear optical coefficients related to the Pockels effect. It avoids poling issues and can pave the way for hybrid silicon-organic systems with CMOS-foundry compatibility. We report DC and AC modulation efficiencies of $\approx$~0.25 V$\cdot$mm (from liquid crystal orientation) and $\approx$~25.7 V$\cdot$mm (from Pockels effect), respectively, an on-chip insertion loss of $\approx$~2.6 dB, and an electro-optic bandwidth of $f_ ext{-6dB}$>4.18 GHz, employing improved light-matter interaction in a waveguide architecture that calls for only one lithography step.

研究の動機と目的

• 従来のシリコンフォトニクスにおけるエレクトロオプティカル（EO）位相シフタの限界、すなわち高駆動電圧、低帯域幅、高静的消費電力の問題を克服すること。
• 有機EO（OEO）ポリマーにおいて必須とされる電熱的ポリングを排除することにより、大規模統合およびCMOS準拠性を阻害する要因を解消すること。
• 新規のポリング不要なOEO材料プラットフォームを用いて、高速・低損失・スケーラブルなエレクトロオプティカル変調をシリコンフォトニクス集積回路で実現すること。
• 光・物質相互作用を設計的に最適化した波ガイドを用いた鉄電性ネマチック液晶（FN-LC）を用いた実用的でCMOS準拠かつスケーラブルな高帯域幅光学位相シフト技術の実証。

提案手法

• 光・物質相互作用（LMI）を強化するために、フィン型負荷付きスリットなし波ガイド構造を考案し、有効電界とFN-LC材料との重ね合わせ積分（Γ）を増加させた。
• 大規模な2次非線形感受率（χ(2)）と自己分極化を有する鉄電性ネマチック液晶（FN-LC）をEO媒質として用い、ポリングを要せずポケルス効果を発現可能にした。
• 波ガイドの幾何形状を最適化し、光モードを効果的に閉じ込めるとともに、FN-LC領域における電界（E_x）を強化した。特に、電極間隔を短縮し、ギャップ部での電界集中を向上させた。
• マハーチェンジャー・モジュレータ（MZMs）では、高速動作を実現するためにプッシュ・プル型構成を採用し、DCバイアスで四分位点を設定し、RF信号を差動的に印加して変調を実現した。
• 標準的なシリコンフォトニクスプロセスを用いてデバイスをプロトタイピングし、FN-LCをEOPS部に選択的に適用した。光入出力はグレーティングカップラー（GC）およびフォトニックワイヤ波ガイド（PWB）を介して実現した。
• デバイス特性評価にはベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用い、S21を測定し、-3 dB帯域幅を抽出するとともに、有効EO係数（r33）およびVπL積を周波数依存で同定した。

Figure 1: 3D representation of the modulator selectively covered by FN-LC. a 80-nm-wide fingers are used to carry the RF signals and alignment field ( $\overrightarrow{E_{\text{align}}}$ ) to an area as close as $d_{\text{f-c}}=$ 100 nm away from the $W_{\text{c}}=$ 300 nm-wide core. This design opt

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有機EOポリマーで必要とされる電熱的ポリングを不要とし、鉄電性ネマチック液晶（FN-LC）がギガヘルツ（GHz）レートの光学位相シフトを実現できるか。
• RQ2 フィン型負荷付きスリットなし波ガイドにおける光・物質相互作用の設計が、Si-FN-LCデバイスのEO効率および帯域幅にどのように寄与するか。
• RQ3 ポリング不要なシリコン・有機ハイブリッドプラットフォームを用いたFN-LCベースのデバイスで達成可能なEO帯域幅および変調効率はどの程度か。
• RQ4 1枚のシリコンフォトニクスチップ上に、低損失およびCMOS準拠性を備えた大規模なFN-LCモジュレータの統合が可能か。

主な発見

• デバイスは、4.18 GHzを超えるEO帯域幅（f-6dB）を達成し、ポリング不要なシリコン・有機ハイブリッドプラットフォームにおけるギガヘルツレート位相シフトを実証した。
• DC変調効率は0.25 V·mm、AC効率は25.7 V·mmと測定され、強力なEO応答と高い効率を示した。
• オンチップ損失は約4 dBと測定され、統合フォトニクス応用において妥当であり、他のOEOベースのモジュレータと同等または優れた性能を示した。
• 光・物質相互作用を設計的に最適化したフィン型負荷付き波ガイド構造により、有効電界と重ね合わせ積分（Γ）が向上し、従来のスリットなし波ガイドと比較してE_xが約10倍、Γが約2倍向上した。
• 100個以上のFN-LCベースのマハーチェンジャー・モジュレータを内蔵する完全パッケージングチップを実証し、スケーラビリティおよびCMOSプロセスとの相性を確認した。
• FN-LC材料は大規模な2次非線形感受率（χ(2)）と自己分極化を有し、ポリングを要せずポケルス効果を発現可能であり、EOポリマー統合における主要なプロセス的ブottleneckを排除した。

Figure 2: Waveguide design simulation results. a The mode evolution in each arm of the MZM demonstrated by a 10 $\upmu m$ -long adiabatic strip-to-finger mode converter (section I) coupled to a 3 $\upmu m$ -long portion of the 500 $\upmu m$ FNS waveguide (section II). Transverse electric optical fie