[論文レビュー] High-efficiency electro-optic modulator on thin-film lithium niobate with high-permittivity cladding

Nuo Chen, Kangping Lou+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、電場強度と光モードとの重なりを強化するために高誘電率クラッドを用いた薄膜リン酸タンパクチル（TFLN）上に高効率な電光変調器を提案する。これにより、1.41 V·cmという記録的な低さの半波長長さ積を達成し、過剰損失は0.5 dB、3 dB帯域幅は40 GHzを超える。これにより、小型で高性能な光集積回路の実現が可能となる。

ABSTRACT

Thin-film lithium niobate is a promising platform owing to its large electro-optic coefficients and low propagation loss. However, the large footprints of devices limit their application in large-scale integrated optical systems. A crucial challenge is how to maintain the performance advantage given the design space restrictions in this situation. This article proposes and demonstrates a high-efficiency lithium niobate electro-optic (EO) modulator with high-permittivity cladding to improve the electric field strength in waveguides and its overlap with optical fields while maintaining low optical loss and broad bandwidth. The proposed modulator exhibits considerable improvement, featuring a low half-wave voltage-length product of 1.41 Vcm, a low excess loss of 0.5 dB, and a broad 3 dB EO bandwidth of more than 40 GHz. This modulation efficiency is the highest reported for a broadband lithium niobate modulator so far. The design scheme of using high-permittivity cladding may provide a promising solution for improving the integration of photonic devices on the thin-film lithium niobate platform and these devices may serve as fundamental components in large-scale photonic integrated circuits in the future.

研究の動機と目的

• 薄膜リン酸タンパクチル（TFLN）電光変調器における大きなデバイス面積の課題に対処するが、同時に高い性能を維持する。
• 光波導内の電場と光モードの重なりを向上させつつ、伝送損失を増加させない。
• 大規模な光集積回路向けに、高帯域幅・低消費電力・小型化を実現する電光変調を可能にする。
• 高誘電率クラッドを新たな設計戦略として、変調器効率の向上の可能性を検討する。

提案手法

• 変調器は、上部および下部に高誘電率誘電体クラッド層を堆積させた薄膜リン酸タンパクチル波導を採用する。
• 高誘電率クラッドにより、波導コア内の電場の閉じ込めが強化され、電光効果が増幅される。
• 最適化された波導幾何形状と材料品質を用いることで、低い光伝送損失を維持する。
• 標準的な半導体プロセス技術（電子線リソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを含む）を用いてデバイスをプロトタイピングする。
• Sパラメータ測定および最大40 GHzまでの直接変調テストにより、電光応答を評価する。
• 半波長長さ積（VπL）は、測定された消光比および帯域幅から抽出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高誘電率クラッドは、薄膜リン酸タンパクチル波導における電場と光モードの重なりを顕著に向上させ得るか？
• RQ2 高誘電率クラッドの使用は、VπLを低下させつつ、光損失や帯域幅を劣化させないか？
• RQ3 このクラッドアプローチを用いたコンパクトなTFLN変調器で達成可能な最大電光帯域幅は何か？
• RQ4 この性能は、最先端のTFLNデバイスと比較して、効率および損失の面で優れているか？

主な発見

• 本変調器は、1.41 V·cmという記録的な低さの半波長長さ積を達成し、広帯域リン酸タンパクチル変調器として報告された中で最高の変調効率を示している。
• デバイスはわずか0.5 dBの過剰損失を示し、優れた光伝送性能を実証している。
• 3 dB電光帯域幅は40 GHzを超えており、高速応用に適した広帯域動作を確認した。
• 高誘電率クラッドは、波導コア内での電場強度を効果的に増強し、電光相互作用効率を向上させた。
• VπL指標を顕著に改善した一方で、光損失を低く維持する設計が可能となり、コンパクト統合が実現可能になった。