[논문 리뷰] An integrated cryogenic optical modulator

Felix Eltes, Gerardo Villarreal Garcia외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 24.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실온에서 4 K까지 전기광학 조절을 위한 Pockels 효과를 활용하는 바륨티타네이트(BaTiO3) 기반 통합 초저온 광변조기를 제안한다. 이는 기록적인 30 GHz 대역폭, 20 Gbps 데이터 조절 및 열조절 대비 10^9배 높은 에너지 효율성을 달성하여 확장 가능한 양자 및 초저온 컴퓨팅 시스템을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Integrated electrical and photonic circuits (PIC) operating at cryogenic temperatures are fundamental building blocks required to achieve scalable quantum computing, and cryogenic computing technologies. Optical interconnects offer better performance and thermal insulation than electrical wires and are imperative for true quantum communication. Silicon PICs have matured for room temperature applications but their cryogenic performance is limited by the absence of efficient low temperature electro-optic (EO) modulation. While detectors and lasers perform better at low temperature, cryogenic optical switching remains an unsolved challenge. Here we demonstrate EO switching and modulation from room temperature down to 4 K by using the Pockels effect in integrated barium titanate (BaTiO3)-based devices. We report the nonlinear optical (NLO) properties of BaTiO3 in a temperature range which has previously not been explored, showing an effective Pockels coefficient of 200 pm/V at 4 K. We demonstrate the largest EO bandwidth (30 GHz) of any cryogenic switch to date, ultra-low-power tuning which is 10^9 times more efficient than thermal tuning, and high-speed data modulation at 20 Gbps. Our results demonstrate a missing component for cryogenic PICs. It removes major roadblocks for the realisation of novel cryogenic-compatible systems in the field of quantum computing and supercomputing, and for interfacing those systems with the real world at room-temperature.

연구 동기 및 목표

• 초저온 광집적회로(PIC)를 위한 효율적이고 통합된 전기광학 변조기가 부족한 문제를 해결한다.
• 실온에서 4 K까지의 낮은 온도에서도 고속, 저전력 광스위칭을 달성하는 데 도전한다.
• 확장 가능한 양자 컴퓨팅 및 초저온 슈퍼컴퓨팅 시스템을 위한 실용적인 광인터커넥트를 가능하게 한다.
• 바륨티타네이트(BaTiO3)가 초저온 환경에서 비선형 광학 재료로서의 가능성을 입증한다.
• 고대역폭, 저손실 광링크를 통해 실온 시스템과 초저온 양자 프로세서를 연결하는 솔루션을 제공한다.

제안 방법

• 전기광학 조절을 위해 통합된 바륨티타네이트(BaTiO3) 웨이브가이드의 Pockels 효과를 활용하여 전압 제어형 위상 조절을 실현한다.
• 효율적인 전기광학 조절을 위한 TiN 전극을 탑재한 완전히 통합된 광회로를 설계 및 제작한다.
• 300 K부터 4 K까지의 온도 범위에서 광학적 반응을 측정하기 위해 초저온 테스트 장치를 활용한다.
• 온도에 따른 유효 Pockels 계수를 측정하여 4 K에서 200 pm/V의 값을 확인한다.
• 고주파 전기 및 광신호 분석을 통해 최대 30 GHz까지의 조절 대역폭을 특성화한다.
• 기존의 열조절 방법과 비교하여 전기광학 조절의 에너지 효율성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바륨티타네이트(BaTiO3)는 4 K까지의 초저온에서도 효율적인 전기광학 조절을 지원할 수 있는가?
• RQ2 Pockels 효과를 활용한 통합 초저온 광변조기의 도달 가능한 대역폭과 에너지 효율성은 무엇인가?
• RQ3 BaTiO3의 유효 Pockels 계수는 초저온 영역에서 온도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 변조기는 양자 컴퓨팅 인터커넥트에 적합한 20 Gbps 수준의 데이터 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 초저온 환경에서 전기광학 조절의 에너지 효율성은 열조절에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• BaTiO3의 유효 Pockels 계수는 4 K에서 200 pm/V에 도달하여 초저온에서 강력한 전기광학 반응을 보임을 입증한다.
• 장치는 초저온 작동에서 기록적인 30 GHz 전기광학 대역폭을 달성하였으며, 지금까지 보고된 바 중 가장 높은 수준이다.
• 변조기는 20 Gbps 데이터 조절을 가능하게 하여 양자 컴퓨팅 시스템의 고속 인터커넥트에 적합하다.
• 전기광학 조절은 열조절 대비 10^9배 더 에너지 효율적이며, 전력 소산을 크게 감소시킨다.
• 통합 설계는 300 K에서 4 K까지 전체 온도 범위에서 높은 성능을 유지한다.
• 결과적으로 BaTiO3는 초저온 광집적회로를 위한 실현 가능하고 고성능 재료로 입증된다.