[論文レビュー] Integrated spiral waveguide amplifiers on erbium-doped thin-film lithium niobate

Xiongshuo Yan, Yian Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、CMOS準拠のプロセスを用いて、イッソウドリュームド薄膜ニオブ酸リチウム（LNOI）上に高利得でコンactなスパイラル波ガイドアンプを実現した。5.3-mmのスパイラル波ガイドと約0.06 mm²のフットプリントを有する本装置は、1530 nmで最大8.3 dBの内部ネットゲインを達成し、1 cmあたり15.6 dBのネットゲインを示し、LNOIプラットフォーム上でのアクティブおよびパass型フォトニクスデバイスの効率的で集積化された統合を可能にする。

ABSTRACT

Integrated optical amplifiers and light sources are of great significance for photonic integrated circuits (PICs) and have attracted many research interests. Doping rare-earth ions in materials as a solution to realize efficient optical amplifiers and lasing has been investigated a lot. We investigate the erbium-doped lithium niobate on insulator (LNOI). Here, spiral waveguide amplifiers were fabricated on a 1-mol\% erbium-doped LNOI by CMOS-compatible technique. We demonstrated a maximum internal net gain of 8.3 dB at 1530 nm indicating a net gain per unit length of 15.6 dB/cm with a compact spiral waveguide of 5.3 mm length and $ \sim $0.06 mm$ ^{2} $ footprint. The erbium-doped integrated lithium niobate spiral waveguide amplifiers would pave the way in the PICs of the lithium niobate platform, especially in achieving efficient integration of active and passive devices on a lithium niobate thin film, which will make full use of its excellent physical properties such as remarkable photoacoustic, electro-optic, and piezoelectric characteristics.

研究の動機と目的

• フォトニクス集積回路（PIC）におけるオンチップ光増幅を可能にするために、リチウムニオブート上にアクティブおよびパass型コンponentを統合すること。
• リチウムニオブートが非効率な増幅媒体であるという制限を、イッソウドリュームドイオンをドーピングすることで克服すること。
• スパイラル波ガイドジオメトリを用いて、PIC内での高密度統合に適したコンパクトで高利得の波ガイドアンプを実現すること。
• CMOS準拠のプロセスを用いた1-mol%イッソウドリュームドLNOIプラットフォーム上で、小型で高性能なアンプを実証すること。
• スケーラブルなフォトニクス回路を実現するため、LNOIプラットフォーム上でのアンプやレーザーなどのアクティブデバイスの効率的統合を可能にすること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィ（EBL）および反応性イオンエッチング（RIE）を用いて、1-mol%イッソウドリュームドLNOI基板上にスパイラル波ガイドアンプをプロセスした。
• 波ガイドの閉じ込めのために、2-µmのシリカ埋め込み酸化物および500-µmのシリコン基板上に600-nm厚のイッソウドリュームドリチウムニオブート層を用いた。
• 信号源として1550-nm、ポンプ源として980-nmを用い、伝搬損失および結合損失の測定に基づいて校正された入射パワーを設定した。
• 1550 nmにおける負荷Qファクタ5×10⁴および固有Qファクタ5.4×10⁴を有するマイクロリングレゾネータを用いて伝搬損失を測定した。
• 式 α = 2πnₑff / (λ₀Qᵢ) を用いて伝搬損失を計算し、1550 nmで約6.86 dB/cmの値が得られた。
• 信号スペクトルおよびゲイン対ポンプパワー曲線を用いてネットゲインを特徴付け、ポンプパワー約10 mWでゲイン飽和が観察された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパイラル波ガイドジオメトリは、イッソウドリュームドLNOI上でのコンパクトなフットプリントで高光学利得を実現できるか？
• RQ2 1-mol%イッソウドリュームドLNOI上でのスパイラル波ガイドアンプで達成可能な最大内部ネットゲインは何か？
• RQ3 LNOI上での既存の直線波ガイドアンプと比較して、1単位長さあたりのネットゲインはどのように異なるか？
• RQ4 Cバンドにおけるネットゲイン帯域幅は何か？ そして、オンチップフォトニクス統合をどのように支援するか？
• RQ5 スパイラル波ガイドにおける強い光閉じ込めは、フットプリントを小さくしながらも高効率な増幅を維持できるか？

主な発見

• 10.78 mWの入射ポンプパワーおよび-10.7 dBmの信号パワーで、1530 nmで最大8.3 dBの内部ネットゲインを達成した。
• 1 cmあたり15.6 dBのネットゲインを達成し、これまでに報告されたイッソウドリュームドLNOI波ガイドアンプの値を上回った。
• スパイラル波ガイドアンプの全長は5.3 mm、フットプリントは約0.06 mm²であり、イッソウドリュームドLNOI波ガイドアンプにおいては、これまでで最小の報告値である。
• マイクロリングレゾネータの特性測定に基づき、伝搬損失を約6.86 dB/cmで測定し、5.3-mm波ガイドで約3.64 dBの損失が寄与した。
• 結合損失は980 nmで16 dB、1550 nmで13.4 dBであり、これらは入射ポンプおよび信号パワーの補正に用いられた。
• アンプは1530–1570 nmの範囲で3 dBを超えるゲイン帯域幅を示し、Cバンドフォトニクス統合に適していることが示された。