[논문 리뷰] Breaking voltage-bandwidth limits in integrated lithium niobate modulators using micro-structured electrodes

Prashanta Kharel, Christian Reimer외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 26.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 2인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 얇은 필름 리튬 나이오베이트 모듈레이터에서 분할된 마이크로 구조 트래블링-웨이브 전극을 구현하여 RF 손실을 대폭 줄이고 고대역폭에서 서브-볼트 구동을 달성함을 보여주며, 1 GHz에서 1.3 V DC Vπ, 50 GHz에서 1.6 V, 50 GHz에서 1.8 dB EO 롤-오프를 달성한다.

ABSTRACT

Electro-optic modulators with low voltage and large bandwidth are crucial for both analog and digital communications. Recently, thin-film lithium niobate modulators have enable dramatic performance improvements by reducing the required modulation voltage while maintaining high bandwidths. However, the reduced electrode gaps in such modulators leads to significantly higher microwave losses, which limit electro-optic performance at high frequencies. Here we overcome this limitation and achieve a record combination of low RF half-wave voltage of 1.3 V while maintaining electro-optic response with 1.8-dB roll-off at 50 GHz. This demonstration represents a significant improvement in voltage-bandwidth limit, one that is comparable to that achieved when switching from legacy bulk to thin-film lithium niobate modulators. Leveraging the low-loss electrode geometry, we show that sub-volt modulators with $>$ 100 GHz bandwidth can be enabled.

연구 동기 및 목표

• 아날로그 및 디지털 통신을 위한 저전압, 고대역폭 전기광 변조를 촉진하고 가능하게 한다.
• 박막 LN 모듈레이터에서의 마이크로파 손실 한계를 극복하면서 변조 효율과 속도를 유지한다.
• 세분화(segmentation)와 저유전율 기판이 서브-볼트 구동으로 EO 대역폭을 100 GHz 이상으로 밀어올릴 수 있음을 보여준다.
• 세분화된 전극 성능을 일반 설계와 비교하고 손실 및 대역폭의 이득을 정량화한다.

제안 방법

• 쿼츠 기판 위의 트래블링-웨이브, 박막 LN 모듈레이터를 사용하여 저 RF 손실과 속도 매칭을 실현한다.
• 좁은 간극에서 전류를 벗어나도록 흐름을 분산시키는 마이크로 구조화된(세분화된) 전극을 도입하여 옴의 손실을 감소시킨다.
• HFSS로 전극 설계를 시뮬레이션하여 Vπ·L, 임피던스, RF 손실, 추정 EO 대역폭을 비교한다.
• LN-on-quartz 소자를 600 nm LN과 800 nm Au 전극, 1 μm SiO2 클래딩, 20–20 mm 전극 길이로 제작한다.
• 50 Ω VNA 디에뎀 측정으로 RF 손실을 특성화하고 1560 nm 빛으로 EO 성능을 평가한다.
• DC/1 GHz에서의 Vπ를 측정하고 50 GHz까지의 EO 롤오프를 측정하며 시뮬레이션 및 기존 설계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇은 필름 LN에 세분화된 마이크로구조 전극이 변조 효율을 희생시키지 않으면서 RF 손실을 줄일 수 있는가?
• RQ2 기판 유전율과 전류 집중이 속도 매칭 및 EO 대역폭에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 마이크로 구조화된 전극을 사용하여 기존의 얇은 LN 모듈레이터를 넘어 전압-대역폭 성능을 얼마나 더 끌어올릴 수 있는가?
• RQ4 서브-볼트 구동으로 >100 GHz EO 대역폭을 달성하기 위한 실용적 한계(손실, 속도 불일치)는 무엇인가?

주요 결과

전극 설계(기판)	신호 폭 (μm)	간극 (μm)	Vπ · L (V · cm)	Z (Ω)	RF 손실 (dB cm^-1 GHz^-1/2)	Est.3-dB EO 대역폭 for Vπ,DC=1 V (GHz)
Regular (Si)	30	5	2.1	39	0.75	27
Regular (Si)	30	7	2.6	45	0.64	25
Regular (Si)	30	10	3.7	48	0.57	17
Regular (Q)	100	5	2.1	41	0.37	13*
Segmented (Q)	100	5	2.1	42	0.21	228

• LN-on-quartz의 세분화된(마이크로 구조) 전극은 50 GHz에서 10 mm 소자에 대해 RF 손실을 7 dB/cm에서 2 dB/cm로 크게 감소시킨다.
• 측정된 RF 위상 지수는 2.23으로 시뮬레이션과 일치하며 LN 광학 군 지수(~2.2)와의 우수한 속도 매칭을 가능하게 한다.
• 20 mm 모듈레이터의 DC Vπ는 1.35 V이고; 같은 소자의 50 GHz에서 RF Vπ는 1.6 V이며, 50 GHz에서 1.8 dB EO 롤오프를 얻는다.
• 10 mm 세분화 소자는 DC/1 GHz Vπ에 비해 50 GHz에서 0.8 dB 롤오프만 보이며, 측정 전반에서 S11 < -15 dB이다.
• 시뮬레이션과 측정은 세분화 설계가 20 mm 길이에서 약 228 GHz의 추정 3-dB EO 대역폭을 달성할 수 있음을 시사하며 일반 설계를 현저히 능가한다.
• 외삽에 따르면 저유전율 기판에서 서브-볼트 구동으로 >100 GHz 대역폭의 모듈레이터가 가능하며 20 mm 길이에서 도체 손실 한계가 >180 GHz까지 가능할 수 있다.