[논문 리뷰] Fast-speed and low-power-consumption optical phased array based on thin-film lithium niobate platform

Zhizhang Wang, Xueyun Li외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 23.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 얇은 필름 리튬니오브산탄(Insulator, LNOI) 플랫폼에 기반한 고속·저전력 광학 배열형 안테나(OPA)를 제시한다. 32/48채널 웨이브가이드에서 전기광학 조절을 활용하여 1.11 nJ/π의 에너지 효율성과 14.4 ns의 스위칭 속도를 달성하였다. 이 설계는 희박한 비정규 웨이브가이드 배열을 통해 62.2°×8.8°의 시야각과 0.33°의 횡방향 빔 분산을 실현하였으며, LNOI 플랫폼이 확장 가능하고 에너지 효율적인 OPA를 위한 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

Fast scanning-speed and low-power-consumption are becoming progressively more and more important in realizing high-performance chiplet optical phased arrays (OPAs). Here, we establish an integrated OPA based on thin-film lithium niobate-on-insulator (LNOI) platform to access these outstanding performances. Significantly, a lithium niobate (LN) OPA chip is implemented by 32/48 channels LN waveguides enabled by electro-optic modulations, which showcases the low power consumption (1.11nJ/π}) and fast operation speed (14.4 ns) promising the advantage of the LNOI platform for integrated OPAs. As results, we experimentally achieved a beam steering with a 62.2°*8.8° field of view (FOV) and a beam divergence of 2.4°*1.2°. Moreover, by employing sparse aperiodic arrays in waveguides design we obtained a significant reduction of lateral divergence to 0.33° for the radiation beam. This work demonstrate that remarkable advantage of LNOI platform for power-saving and scalable OPA chips for various applications.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 시스템에서 빠르고 에너지 효율적인 광선 조작을 위한 증가하는 수요를 해결한다.
• 기존 OPA 플랫폼의 전력 소모와 스위칭 속도 제약을 극복한다.
• 확장 가능하고 고성능의 통합 OPA를 위한 얇은 필름 리튬니오브산탄 기반 인슐레이터(LNOI) 플랫폼의 실현 가능성을 입증한다.
• 혁신적인 웨이브가이드 배열 설계를 통해 빔 분산을 최소화하여 정렬성과 각도 해상도를 향상시킨다.

제안 방법

• 고전기광학 계수와 낮은 전파 손실을 제공하는 얇은 필름 리튬니오브산탄 기반 인슐레이터(LNOI) 플랫폼을 사용하였다.
• 전압 제어형 위상 조절을 통한 빔 조작을 위해 전기광학 위상 시프터를 갖춘 32/48채널 통합 웨이브가이드를 구현하였다.
• 격자 빛을 억제하고 횡방향 빔 분산을 감소시키기 위해 웨이브가이드 레이아웃에 희박한 비정규 배열 설계를 적용하였다.
• 서로 다른 채널 간 간섭을 최소화하고 15 ns 이내의 스위칭 속도를 달성하기 위해 전극 기하학과 구동 전압을 최적화하였다.
• 전체 각도 범위에서 근거리 및 원거리 특성 측정을 통해 빔 조작 성능을 측정하였다.
• 적용된 전압과 커패시턴스에서 유도된 1.11 nJ/π의 에너지 효율성을 위상 시프터 당으로 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LNOI 플랫폼은 저소비 전력으로서 15 ns 이내의 스위칭 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 균일한 배열에 비해 희박한 비정규 웨이브가이드 배열은 횡방향 빔 분산을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 LNOI를 사용한 소형 칩 통합 OPA에서 달성 가능한 시야각과 빔 품질은 무엇인가?
• RQ4 LNOI의 전기광학 계수는 위상 시프터에서 저전력 작동을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 LNOI에 32/48채널을 통합하면 광범위한 각도의 빔 조작과 고직도를 동시에 달성할 수 있는가?

주요 결과

• OPA는 14.4 ns의 스위칭 속도를 달성하여 고속 빔 조작 능력을 입증하였다.
• 위상 시프터 당 에너지 소비는 1.11 nJ/π로 측정되어 뛰어난 전력 효율성을 나타냈다.
• 실험적으로 62.2°×8.8°의 시야각을 실현하여 광범위한 각도의 빔 조작이 가능했다.
• 희박한 비정규 웨이브가이드 배열을 사용하여 빔 분산을 0.33°로 감소시켜 정렬성을 크게 향상시켰다.
• 최적화 이전의 초도 구성에서 빔 분산의 반폭은 2.4°×1.2°였다.
• LNOI 플랫폼은 모든 채널에서 낮은 간섭과 안정된 위상 제어를 보장하며 고성능 OPA 작동을 가능하게 하였다.