[論文レビュー] Integrated Electro-Optic Isolator on Thin Film Lithium Niobate

Mengjie Yu, Rebecca Cheng+10 more|Figshare|Dec 4, 2022

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、薄膜リチウニobレート（TFLN）上に完全統合された非相反性電光（EO）イソレータを提示する。走査波型構成と単一周波数のマイクロ波駆動を用い、48 dBの隔離とわずか0.5 dBのオンチップ挿入損失を達成した。このデバイスは120 nm帯域幅（1510–1630 nm）で動作し、低RFパワー（21 dBm）を要し、チップスケール光システムにおけるモノリシック統合と高い性能を両立している。

ABSTRACT

Optical isolator is an indispensable component of almost any optical system and is used to protect a laser from unwanted reflections for phase-stable coherent operation. The development of chip-scale optical systems, powered by semiconductor lasers integrated on the same chip, has resulted in a need for a fully integrated optical isolator. However, conventional approaches based on application of magneto-optic materials to break the reciprocity and provide required isolation have significant challenges in terms of material processing and insertion loss. As a result, many magnetic-free approaches have been explored, including acousto-optics, optical nonlinearity, and electro-optics. However, to date, the realization of an integrated isolator with low insertion loss, high isolation ratio, broad bandwidth, and low power consumption on a monolithic material platform is still absent. Here we realize non-reciprocal traveling-wave EO-based isolator on thin-film LN, enabling maximum optical isolation of 48 dB and an on-chip insertion loss of 0.5 dB using a single-frequency microwave drive at 21-dBm RF power. The isolation ratio is verified to be larger than 37 dB across a tunable optical wavelength range from 1510 to 1630 nm. We verify that our hybrid DFB laser - LN isolator module successfully protects the single-mode operation and the linewidth of the DFB laser from reflection. Our result is a significant step towards a practical high-performance optical isolator on chip.

研究の動機と目的

• チップ上半導体レーザーと互換性のある完全統合型、磁気素子フリーの光イソレータを開発すること。
• 従来の磁気光学イソレータの統合性、挿入損失、消費電力の制限を克服すること。
• モノリシックTFLNプラットフォーム上で、高隔離、低挿入損失、広帯域、低RF消費電力の性能を達成すること。
• 位相安定動作を実現するための単モードDFBレーザーとの実用的適合性を示すこと。
• 非相反性光制御を要するスケーラブルなチップ統合光システムを可能にすること。

提案手法

• 薄膜リチウニブレート上に走査波型電光変調器を用い、光の相反性を破る。
• ポッケルス効果により動的な二色性を誘発するため、21 dBmの単一周波数マイクロ波駆動を採用する。
• 広帯域動作を実現するため、位相整合された電極を備えたマハーズインターフェアメータ型構造を設計する。
• 同じTFLNチップ上にハイブリッドDFBレーザーとEOイソレータをモノリシックに統合する。
• 挿入損失を最小限に抑え、隔離を最大化するため、電極形状とRFインピーダンスマッチングを最適化する。
• 二重駆動構成を採用し、非相反性位相差を生成して隔離を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低挿入損失と高隔離を実現する薄膜リチウニブレートプラットフォーム上に、完全統合型磁気素子フリー光イソレータを実現可能か？
• RQ2 単一周波数マイクロ波駆動を用いたEOベースのイソレータの、達成可能な隔離帯域幅とパワー効率はどの程度か？
• RQ3 イソレータは、モノリシックDFBレーザーのバックリフレクションに対して効果的に保護を提供できるか、かつその線幅と単モード動作を維持できるか？
• RQ4 走査波型TFLNベースのイソレータにおいて、広帯域な光波長範囲にわたる性能はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 走査波型TFLNベースのイソレータにおいて、RFパワー、隔離、挿入損失のトレードオフ関係はどのようなものか？

主な発見

• 21-dBmのRF駆動を用いて、最大48 dBの光隔離とわずか0.5 dBのオンチップ挿入損失を達成した。
• 可変波長範囲（1510–1630 nm）において、隔離比が37 dBを超えることを確認し、広帯域動作を実証した。
• ハイブリッドDFBレーザー–TFLNイソレータモジュールは、レーザーの単モード動作を効果的に保護し、反射条件下でも線幅を維持した。
• 走査波型マイクロ波駆動下でポッケルス効果により非相反性位相差が誘発され、磁気素子フリーの動作が実現された。
• システムは完全にモノリシックであり、チップ統合に適しており、スケーラブルな光集積回路を可能にした。
• 高性能、低損失、広帯域の統合光イソレータが薄膜リチウニブレート上で実現可能であることを実証した。