[논문 리뷰] Erbium-doped lithium niobate thin film waveguide amplifier with 16 dB internal net gain

Minglu Cai, Kan Wu외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 18.

Photonic and Optical Devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두께가 얇은 리튬니오브산탄(Sc:LiNbO₃) 기반의 어븀 도핑된 리튬니오브산탄 온 인슐레이터(Er:LNOI) 웨이브가이드 증폭기를 제시하며, 2.58cm 길이에서 16.0 dB의 내부 순이득을 달성한다. 이는 27.94 dB의 신호 증폭, 4.59 dB/mW의 전력 변환 효율, 1531.6 nm에서 4.49 dB의 노이즈 피규어를 기록한다. 증폭기는 얇은 필름 리튬니오브산탄의 높은 광학적 구속성과 낮은 전파 손실을 활용하여 희토류 이온 도핑을 강화하고 효율적인 펌프-신호 에너지 전달을 실현한다.

ABSTRACT

Erbium-doped lithium niobate on insulator (Er:LNOI) has attracted enormous interest as it provides gain and enables integrated amplifiers and lasers on the lithium niobate on insulator (LNOI) platform. We demonstrate a highly efficient waveguide amplifier on Er:LNOI. The 2.58-cm long amplifier can achieve 27.94 dB signal enhancement, 16.0 dB internal net gain (6.20 dB/cm), -8.84 dBm saturation power, 4.59 dB/mW power conversion efficiency, and 4.49 dB noise figure at 1531.6 nm. Besides, thorough investigation on the pumping wavelength, pumping scheme, output power and noise figure have been performed to provide a comprehensive understanding on this novel waveguide amplifier. This work will benefit the development of a powerful gain platform and can pave the way for a fully integrated photonic system on LNOI platform.

연구 동기 및 목표

• 칩 내 광학 증폭을 위한 통합형 웨이브가이드 증폭기를 Er:LiNbO₃ on insulator (Er:LNOI) 플랫폼에 개발하기 위해.
• 효율적인 펌프 흡수와 최소한의 전파 손실을 갖춘 웨이브가이드 구조에서 고내부 순이득과 낮은 노이즈 피규어를 달성하기 위해.
• 펌프 파장, 펌프 방식, 출력 전력, 노이즈 특성 등의 체계적 조사로 증폭기 성능을 최적화하기 위해.
• 증폭기 및 레이저를 포함한 완전한 통합 광학 시스템을 위한 실용적인 플랫폼으로 Er:LNOI를 확립하기 위해.
• 1531.6 nm 통신 대역에서 고출력, 저노이즈, 고효율의 광신호 증폭을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 이득 매체로 제어된 어븀 이온 도핑을 가진 얇은 필름 리튬니오브산탄을 사용하여 2.58cm 길이의 Er:LNOI 웨이브가이드를 제작하였다.
• 펌프 흡수를 향상시키고 인version 상태를 극대화하기 위해 980 nm 펌프 레이저를 사용한 더블패스 펌프 방식을 적용하였다.
• 신호 및 펌프 모드의 구속을 향상시켜 모드 겹침과 이득 효율을 높이기 위해 레이드 웨이브가이드 기하구조를 활용하였다.
• 내부 순이득, 신호 증폭, 포화 출력 전력, 전력 변환 효율, 노이즈 피규어 등의 주요 성능 지표를 측정하였다.
• 최적의 작동 조건을 도출하기 위해 다양한 펌프 전력과 파장에서의 체계적 특성 분석을 수행하였다.
• 전력 변환 효율을 입력 펌프 전력에 대해 출력 신호 전력의 비율로 계산하였으며, 밀리와트트당 정규화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적의 펌프 조건에서 Er:LNOI 웨이브가이드 증폭기에서 달성 가능한 최대 내부 순이득은 얼마인가?
• RQ2 펌프 전력과 파장은 신호 이득, 노이즈 피규어, 포화 거동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 1531.6 nm에서 Er:LNOI 웨이브가이드 증폭기의 전력 변환 효율과 노이즈 성능은 어떠한가?
• RQ4 웨이브가이드 기하구조와 재료 플랫폼(즉, Er:LNOI)은 낮은 전파 손실과 높은 이득 효율에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 Er:LNOI 플랫폼은 고성능, 소형, 통합형 광학 증폭기를 지원할 수 있는가? 이는 광학 통합 회로에 적합한가?

주요 결과

• 웨이브가이드 증폭기는 2.58cm 길이에서 16.0 dB의 내부 순이득을 달성하였으며, 이는 이득 계수 6.20 dB/cm에 해당한다.
• 증폭기는 27.94 dB의 신호 증폭을 보이며, 입력 신호의 강력한 증폭을 나타낸다.
• -8.84 dBm의 포화 출력 전력을 측정하여 중간 수준의 전력 처리 능력을 보였다.
• 전력 변환 효율은 4.59 dB/mW에 도달하여 펌프에서 신호로의 에너지 전달이 효과적임을 보였다.
• 노이즈 피규어는 4.49 dB로 측정되어 민감한 광신호 처리에 적합한 낮은 노이즈 성능을 나타냈다.
• 포괄적인 특성 분석을 통해 다양한 펌프 전력과 파장에서 안정적이고 효율적인 작동이 확인되었으며, 통합 광학 시스템을 위한 플랫폼 잠재력이 입증되었다.