[論文レビュー] On-chip integrated waveguide amplifiers on Erbium-doped thin film lithium niobate on insulator

Junxia Zhou, Youting Liang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics参考文献 19被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）技術を用いて、イッテルビウムドープ薄膜リン酸ニッブ酸化物インシュレーター（TFLNOI）上にオンチップ統合波ガイドアンプを実現し、1530 nmで最大18 dBの内部ネットゲインを達成した。3.6 cmの波ガイド長で、1 cmあたり5 dBの差分ゲインを実現し、アクティブおよびパassingな光子素子を1つのプラットフォームにモノリシック統合可能であることを示した。

ABSTRACT

We demonstrate on-chip light amplification with integrated optical waveguide fabricated on erbium-doped thin film lithium niobate on insulator (TFLNOI) using the photolithography assisted chemo-mechanical etching (PLACE) technique. A maximum internal net gain of 18 dB in the small-signal-gain regime is measured at the peak emission wavelength of 1530 nm for a waveguide length of 3.6 cm, indicating a differential gain per unit length of 5 dB/cm. This work paves the way to the monolithic integration of diverse active and passive photonic components on the TFLNOI platform.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクスと互換性があるスケーラブルなオンチップ波ガイドアンププラットフォームの開発。
• 1つの基板上にアクティブ（アンプ）およびパassing（波ガイド、変調器）光子素子をモノリシック統合することの実現。
• イッテルビウムドープ薄膜リン酸ニッブ酸化物インシュレーター（TFLNOI）を用いて、コンactかつ統合された波ガイド構造で高い光学ゲインを達成すること。
• レアアースドープリン酸ニッブ酸化物に高精度で低損失の波ガイドを形成できる、PLACEというプロセス技術の実証。
• 1530 nm発光ピークにおける小信号ゲイン領域でのアンプ性能の検証。

提案手法

• アクティブな増幅媒体として、イッテルビウムドープ薄膜リン酸ニッブ酸化物インシュレーター（TFLNOI）を用いる。
• フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）を用いて、幾何形状および表面の滑らかさを精密に制御した低損失・高品質な波ガイドを形成する。
• 光学ゲインを最適化し、伝搬損失を最小限に抑えるために、波ガイド長を3.6 cmに設計する。
• 小信号ゲイン特性を測定し、内部ネットゲインおよび単位長あたりの差分ゲインを評価する。
• イッテルビウムイオンの人口逆転を達成するため、標準的な光ポンピング条件下でアンプを動作させる。
• 最大発光波長1530 nmにおけるアンプ応答を特性評価し、最大ゲインを決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）技術を用いて、スケーラブルかつ高精度なプロセスで、イッテルビウムドープ薄膜リン酸ニッブ酸化物インシュレーター（TFLNOI）上にオンチップ波ガイドアンプを効果的にフォーミングできるか。
• RQ2 1530 nm発光ピークにおける、このような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 単位長あたりの差分ゲインは何か。他の統合アンププラットフォームと比較するとどうか。
• RQ4 PLACE技術は、アクティブなフォトニクス統合に適した低損失・高品質な波ガイドを形成可能か。
• RQ5 TFLNOIプラットフォーム上では、アクティブおよびパassingなフォトニクス素子をどの程度モノリシックに統合できるか。

主な発見

• 1530 nm発光ピークにおける小信号ゲイン領域で、最大18 dBの内部ネットゲインが達成された。
• 単位長あたりの差分ゲインは5 dB/cmと測定され、高い増幅効率を示した。
• 波ガイドアンプは3.6 cmの長さでフォーミングされ、統合フォトニクス回路へのスケーラビリティを示した。
• フォトリソグラフィー支援化学機械エッチング（PLACE）技術により、イッテルビウムドープTFLNOIに高品質・低損失の波ガイドを形成可能であることが実証された。
• 結果から、アクティブおよびパassingなフォトニクス素子がTFLNOIプラットフォーム上でモノリシック統合可能であることが確認された。
• 1530 nmにおける提示されたゲイン性能は、TFLNOIプラットフォームが次世代統合光アンプの有力候補であることを示している。