[論文レビュー] Lithium Niobate Michelson Interferometer Modulator on Silicon-On-Insulator Platform

Mengyue Xu, Wenjun Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 23被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、シリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォーム上に、ハイブリッドなシリコン-リチウムニオブート化物（Si/LN）ミケルソン干渉計モジュレータを提案する。高コントラストなリチウムニオブート化物波guidesと低損失なシリコン回路を統合することで、向上した変調効率を達成した。デバイスは記録的な1.2 V·cmの変調効率、3.3 dBの挿入損失、17.5 GHzの3-dB帯域幅を示し、32および40 Gbit/sの高速動作を実現。それぞれの動的消光比は8 dBおよび6.6 dBであった。

ABSTRACT

We propose and demonstrate a hybrid silicon and lithium niobate Michelson Interferometer Modulator (MIM) with enhanced modulation efficiency compared to a Mach-Zehnder modulator. The modulator is based on seamless integration of a high-contrast waveguide based on lithium niobate-a popular modulator material-with compact, low-loss silicon circuitry. The present device demonstrates a modulation efficiency as high as 1.2 Vcm and a low insertion loss of 3.3 dB. The 3dB electro-optic bandwidth is approximately 17.5 GHz. The optical eye diagrams, operating at 32 Gbit/s and 40 Gbit/s, with measured dynamic extinction ratios at 8 dB and 6.6 dB respectively. The present device avoids absorption loss and nonlinearity in conventional silicon modulators and demonstrates highest modulation efficiency in LN modulators, showing potential in future optical interconnects.

研究の動機と目的

• 従来のシリコンマッチツェンダーモジュレータの限界、例えば高い伝搬損失や非線形性を克服すること。
• リチウムニオブート化物の優れた電気光学的特性を活用し、高効率な光変調を実現すること。
• シリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォーム上に、高コントラストなリチウムニオブート化物波guidesと低損失なシリコンフォトニクス回路をシームレスに統合すること。
• 将来的な光インターコネクトに適した、コンactで高性能なモジュレータを実現すること。

提案手法

• モジュレータは、リチウムニオブート化物波guidesを位相シフタとして用いるミケルソン干渉計アーキテクチャを採用。強いポケルス効果を活用し、効率的な電気光学的変調を実現。
• 高コントラストなリチウムニオブート化物波guidesは、イオンスライシングとアニール処理を用いて作製され、強い光閉じ込めと低伝搬損失を実現。
• 干渉計のアームおよび結合構造にはシリコン波guidesを用い、低伝搬損失とCMOSプロセスとの互換性を確保。
• 正確なアライメントとボンディング技術を用いて、リチウムニオブート化物とシリコン部品を統合し、光学的および電気的インターフェースをシームレスに実現。
• リチウムニオブート化物部に電気信号を印加することで位相シフトを誘発し、干渉によって出力強度を変調。
• 位相変調をリチウムニオブート化物に移譲することで、純粋なシリコンモジュレータに内在する吸収損失および非線形性を低減。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドなシリコン-リチウムニオブート化物ミケルソン干渉計は、シリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォーム上での従来のマッチツェンダーモジュレータよりも高い変調効率を達成できるか？
• RQ2 高コントラストなリチウムニオブート化物波guidesと低損失なシリコン回路の統合は、挿入損失および帯域幅にどのように影響するか？
• RQ3 コンパactsおよび低損失を最適化した場合、リチウムニオブート化物ベースのモジュレータで達成可能な最大変調効率はどの程度か？
• RQ4 32 Gbit/sおよび40 Gbit/sのような高データレートを、実用的な光インターコネクトに十分な消光比でサポートできるか？
• RQ5 リチウムニオブート化物部に吸収損失および非線形性が存在しない場合、純粋なシリコンモジュレータと比較して性能が向上するか？

主な発見

• モジュレータは1.2 V·cmの変調効率を達成し、リチウムニオブート化物ベースのモジュレータにおいて報告された最高値である。
• デバイスは3.3 dBの挿入損失を示し、ハイブリッドシステムにおける低伝搬損失および低結合損失を示している。
• 3-dB電気的帯域幅は17.5 GHzに達し、データcom用途に適した高速動作を可能にしている。
• 32 Gbit/sおよび40 Gbit/sでの光エイドグラムは、それぞれ8 dBおよび6.6 dBの動的消光比を示し、信号整合性を確認した。
• 純粋なシリコンモジュレータに共通する吸収損失および非線形性を回避しており、性能および線形性が向上している。
• リチウムニオブート化物とシリコン部品の統合により、スケーラブルなフォトニクス集積回路に向けたコンパクトで高性能なモジュレータが実現可能となった。