[논문 리뷰] Efficient erbium-doped thin-film lithium niobate waveguide amplifiers

Zhaoxi Chen, Qing Xu외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 18.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 어두운 희토류 도핑, 이온 슬라이싱, 리터그래피를 통한 어두운 희토류 도핑된 얇은 필름 리튬니오브산타슘(LNOI) 파장경로 증폭기를 제작하였다. 5-mm 길이의 파장경로와 980 nm 펌프 파wer 21 mW만으로도 1530 nm에서 5 dB를 초과하는 온칩 순이득을 달성하여, 향후 LNOI 플랫폼 기반 통합 광학 회로의 핵심 능동 소자로 자리매김한다.

ABSTRACT

Lithium niobate on insulator (LNOI) is an emerging photonic platform with great promises for future optical communications, nonlinear optics and microwave photonics. An important integrated photonic building block, active waveguide amplifiers, however, is still missing in the LNOI platform. Here we report an efficient and compact waveguide amplifier based on erbium-doped LNOI waveguides, realized by a sequence of erbium-doped crystal growth, ion slicing and lithography-based waveguide fabrication. Using a compact 5-mm-long waveguide, we demonstrate on-chip net gain of > 5 dB for 1530-nm signal light with a relatively low pump power of 21 mW at 980 nm. The efficient LNOI waveguide amplifiers could become an important fundamental element in future lithium niobate photonic integrated circuits.

연구 동기 및 목표

• 발전 중인 실리카 기반 리튬니오브산타슘 온 인슐레이터(LNOI) 광학 플랫폼을 위한 능동 파장경로 증폭기를 개발하기 위해.
• LNOI 통합 광학에서의 작고 효율적인 능동 소자의 부족을 해결하기 위해.
• 박막 필름 LNOI 기술을 활용해 고성능 어두운 희토류 도핑 파장경로 증폭을 실현하기 위해.
• 온칩 광통신 및 신호 처리에 적합한 저펌프 파워, 고이득 증폭을 실현하기 위해.

제안 방법

• 균일한 희토류 도핑을 확보하기 위해 유화법을 사용한 어두운 희토류 도핑 리튬니오브산타슘 결정을 성장시켰다.
• 어두운 희토류 도핑된 층을 열처리된 실리카-실리콘 기반 기판에 이식하기 위해 이온 슬라이싱 기법을 적용하여 박막 필름 LNOI 플랫폼을 형성하였다.
• 정밀한 치수를 갖춘 단일 모드 파장경로를 정의하기 위해 리터그래피 기반의 파장경로 제작 기법을 사용하였다.
• 980 nm에서의 펌프를 통해 어두운 희토류 이온을 자극하여 1530 nm에서의 자발적 방출을 유도하였다.
• 다양한 펌프 파워를 적용하여 연속파 신호를 1530 nm에서 측정함으로써 광학적 이득을 측정하였다.
• 성능을 검증하기 위해 순이득, 펌프 파워 효율성, 모드 품질을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어두운 희토류 도핑된 박막 필름 리튬니오브산타슘 파장경로는 저펌프 파워로 고광학 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 확장 가능한 공정을 활용해 LNOI 플랫폼에 능동 파장경로 증폭기를 제작하는 것이 가능한가?
• RQ3 작고 5-mm 길이의 파장경로에서 순신호 증폭을 달성하기 위해 필요한 최소 펌프 파워는 얼마인가?
• RQ4 어두운 희토류 도핑된 LNOI의 이득 성능은 다른 통합 희토류 도핑 플랫폼과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 5-mm 길이의 어두운 희토류 도핑 LNOI 파장경로에서 1530 nm에서 5 dB를 초과하는 순광학 이득을 달성하였다.
• 이 이득을 달성하기 위해 980 nm에서 펌프 파워 21 mW만으로도 충분하여 높은 펌프 효율성을 보였다.
• 파장경로는 낮은 전파 손실과 양호한 모드 봉쇄 성능을 보였으며, 이는 펌프에서 신호로의 에너지 전달 효율성을 높였다.
• 결정 성장, 이온 슬라이싱, 리터그래피를 조합한 제조 공정을 통해 박막 필름 플랫폼에 능동 도핑제를 정밀하게 통합할 수 있었다.
• 결과적으로 향후 광학 통합 회로를 위한 LNOI 플랫폼에 능동 소자를 통합하는 것이 가능하다는 것을 입증하였다.