[論文レビュー] Ultra-wideband Waveguide-coupled Photodiodes Heterogeneously Integrated on a Thin-film Lithium Niobate Platform

Chao Wei, Youren Yu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2023

Photonic and Optical Devices参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）プラットフォーム上に、初めて異種統合された波導結合型InP/InGaAs変形ユニトラベルキャリア（MUTC）フォトダイオードを提示する。1550 nmにおける0.4 A/Wの効率と110 GHzの記録的3-dB帯域幅を達成した。統合はウェーハレベルの異種接合技術を活用し、高速性、小型化、スケーラビリティに優れた光集積回路を実現し、光学的閉じ込め効果と電光特性を向上させた。

ABSTRACT

With the advantages of large electro-optical coefficient, wide transparency window, and strong optical confinement, thin-film lithium niobate (TFLN) technique has enabled the development of various high-performance optoelectronics devices, ranging from the ultra-wideband electro-optic modulators to the high-efficient quantum sources. However, the TFLN platform does not natively promise lasers and photodiodes. This study presents an InP/InGaAs modified uni-traveling carrier (MUTC) photodiodes heterogeneously integrated on the TFLN platform with a record-high 3-dB bandwidth of 110 GHz and a responsivity of 0.4 A/W at a 1550-nm wavelength. It is implemented on a wafer-level TFLN-InP heterogeneous integration platform and is suitable for the large-scale, multi-function, and high-performance TFLN photonic integrated circuits.

研究の動機と目的

• 薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）プラットフォームに内在するフォトダイオードの欠如を克服すること。
• TFLN波導と高機能フォトダイオードをウェーハスケールで異種統合し、スケーラブルな光集積回路を実現すること。
• 100 GHz以上を達成する超広帯域動作（≥100 GHz）を実現し、1550 nmにおける高い効率を実現することにより、光通信およびセンシング分野への応用を可能とすること。
• 複数機能を統合したプラットフォームとして、既存のTFLNベースのデバイス（例：変調器や量子光源）と互換性を持つことを示すこと。

提案手法

• ウェーハレベル接合技術を用いて、薄膜ニオブ酸リチウム（TFLN）プラットフォーム上にInP/InGaAs MUTCフォトダイオードを異種統合する。
• TFLN波導からの光をInPベースの吸収領域に効率的に結合できる波導結合型フォトダイオードの設計。
• キャリアの移動時間の短縮と帯域幅の向上を図るため、変形ユニトラベルキャリア（MUTC）構造を採用する。
• 帯域幅と効率のバランスを取るために、フォトダイオードのショットキー接合およびインヒレント層の厚さを最適化する。
• III-V材料をTFLN基板上に正確にアライメントし、高収率で統合できるトランスファープリントプロセスを採用する。
• Sパラメータ測定と1550 nmにおける効率測定を用いて、RFおよび光学的特性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトダイオードが内在しないTFLNプラットフォーム上に、高帯域幅フォトダイオードを効果的に統合できるか？
• RQ2 TFLN上に異種統合された波導結合型フォトダイオードの最大達成帯域幅はどの程度か？
• RQ3 1550 nmにおける統合フォトダイオードの効率は、最先端のデバイスと比較してどうか？
• RQ4 ウェーハレベルの異種統合は、TFLN上でのスケーラブルかつ多機能な光集積回路の実現を可能にするか？
• RQ5 このような統合フォトダイオードの帯域幅と効率を決定づける主な設計およびプロセスパrameterは何か？

主な発見

• 統合フォトダイオードは、記録的な110 GHzの3-dB電気的帯域幅を達成し、超広帯域動作を実証した。
• 1550 nmにおける効率が0.4 A/Wに達し、高い量子効率と効果的な光結合を示した。
• 波導結合型構造により、TFLN波導からIII-V吸収層への効率的な光パワー転送が実現された。
• ウェーハレベルの異種統合プロセスにより、高収率であり、大規模光集積回路への適合性が保証された。
• TFLNプラットフォームは、高速フォト検出と、電光変調などの既存の機能を併せ持つことができ、完全な光集積を可能とした。
• 本結果により、単一のTFLN基板上に高性能で多機能な光集積回路を構築可能であることが実証された。