[논문 리뷰] GHz-rate optical phase shift in light matter interaction-engineered, silicon-ferroelectric nematic liquid crystals

Iman Taghavi, Omid Esmaeeli외 11명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 14.

Liquid Crystal Research AdvancementsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전기적 열처리를 필요로 하지 않는 GHz 레이트의 전기광학적 위상 이동소자인 실리콘-강유전성 난류액정(Si-FN-LC) 기반의 기기를 제안한다. 이 기기는 빛-물질 상호작용을 향상시키기 위해 손가락 모양의 부하를 가한 비슬롯형 웨이브가이드를 통해 설계되었다. 장치는 4.18 GHz 이상의 전기광학 대역폭, 0.25 V·mm의 DC 변조 효율, 25.7 V·mm의 AC 효율을 달성하였으며, 온칩 삽입 손실은 약 4 dB로 유지되어, 복잡한 전기적 열처리나 제조 공정 없이도 CMOS 호환성과 고속 실리콘 포토닉 통합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Organic electro-optic materials have demonstrated promising performance in developing electro-optic phase shifters. Their integration with other silicon photonic processes, nanofabrication complexities, and durability remains to be developed. While the required poling step in electro-optic polymers limits their potential and utilization on a large scale, devices made of paraelectric nematic liquid crystals suffer from slow bandwidth. In ferroelectric nematic liquid crystals, we report an additional GHz-fast phase shift that ultimately allows for significant second-order nonlinear optical coefficients related to the Pockels effect. It avoids poling issues and can pave the way for hybrid silicon-organic systems with CMOS-foundry compatibility. We report DC and AC modulation efficiencies of $\approx$~0.25 V$\cdot$mm (from liquid crystal orientation) and $\approx$~25.7 V$\cdot$mm (from Pockels effect), respectively, an on-chip insertion loss of $\approx$~2.6 dB, and an electro-optic bandwidth of $f_ ext{-6dB}$>4.18 GHz, employing improved light-matter interaction in a waveguide architecture that calls for only one lithography step.

연구 동기 및 목표

• 기존 실리콘 포토닉스에서의 전기광학적 위상 이동소자들이 겪는 고전압, 저대역폭, 높은 정적 에너지 소비 등의 한계를 극복하기 위해.
• 유기 전기광학(EO) 폴리머에서 전기적 열처리를 필요로 하는 절차를 제거하여 대규모 통합과 CMOS 호환성에 걸림돌이 되는 문제를 해결하기 위해.
• 새로운 전기적 열처리가 필요 없는 OEO 재료 플랫폼을 통해 고속, 저손실, 확장 가능한 전기광학 변조를 실리콘 포토닉 통합 회로에서 실현하기 위해.
• 빛-물질 상호작용 설계를 거친 웨이브가이드에서 사용된 강유전성 난류액정(FN-LC)을 활용해 실용적이고 CMOS 호환성 및 확장 가능한 고대역폭 광학적 위상 이동을 실현하는 솔루션을 제시하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 빛-물질 상호작용(LMI)을 향상시키기 위해 손가락 모양의 부하를 가한 비슬롯형 웨이브가이드 기구를 개발하여, 효과적인 전기장과 FN-LC 재료와의 오버랩 적분(Γ)을 증가시켰다.
• 강유전성 난류액정(FN-LC)을 전기광학 매체로 사용하였는데, 이는 큰 이阶 비선형 비율(χ(2))과 자발적 분극을 가지며, 전기적 열처리 없이도 포켈 효과를 유도할 수 있기 때문이다.
• 웨이브가이드 기하구조를 최적화하여 광 모드를 격리하고, 특히 전극 간격을 줄이고 간극에서 전기장(E_x)의 집중을 증가시켜 FN-LC 영역에서 전기장을 강화하였다.
• 마흐-젠더 변조기(MZMs)에서 고속 작동을 달성하기 위해 푸시-풀 구성 방식을 적용하였으며, DC 오프셋을 이용해 4분면 점을 설정하고, RF 신호를 차별적으로 적용하여 변조를 수행하였다.
• 장치는 표준 실리콘 포토닉 공정을 사용해 제조되었으며, FN-LC는 EOPS 영역에 선택적으로 도포되었고, 광학적 입출력은 격자 커플러(GC)와 포토닉 웨이브가이드(PWB)를 통해 구현되었다.
• 장치 특성 분석은 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하여 S21을 측정하고, -3 dB 대역폭을 추출하며, 주파수에 따른 효과적 전기광학 계수(r33)와 VπL 곱을 결정하였다.

Figure 1: 3D representation of the modulator selectively covered by FN-LC. a 80-nm-wide fingers are used to carry the RF signals and alignment field ( $\overrightarrow{E_{\text{align}}}$ ) to an area as close as $d_{\text{f-c}}=$ 100 nm away from the $W_{\text{c}}=$ 300 nm-wide core. This design opt

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유기 전기광학 폴리머에서 요구되는 전기적 열처리 없이도 강유전성 난류액정(FN-LC)이 GHz 수준의 광학적 위상 이동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 손가락 모양의 부하를 가한 비슬롯형 웨이브가이드에서의 빛-물질 상호작용 설계는 Si-FN-LC 장치의 전기광학 효율성과 대역폭을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 FN-LC를 기반으로 한 전기적 열처리가 없는 실리콘-유기 하이브리드 플랫폼에서 달성 가능한 전기광학 대역폭과 변조 효율은 얼마인가?
• RQ4 강유전성 난류액정(FN-LC) 기반의 변조기들을 단일 실리콘 포토닉 칩에 대규모 통합할 수 있는가? 이는 저삽입 손실과 CMOS 호환성과 함께 가능한가?

주요 결과

• 장치는 전기광학 대역폭(f-6dB)이 4.18 GHz를 초과하여, 전기적 열처리가 필요 없는 실리콘-유기 하이브리드 플랫폼에서 GHz 수준의 위상 이동을 실현하였다.
• DC 변조 효율은 0.25 V·mm로 측정되었으며, AC 효율은 25.7 V·mm에 도달하여 강력한 전기광학 반응과 높은 효율성을 보였다.
• 온칩 삽입 손실은 약 4 dB로 측정되었으며, 이는 통합 포토닉 응용 분야에서 타당하며 다른 OEO 기반 변조기들과 경쟁 가능한 성능을 보였다.
• 빛-물질 상호작용 설계를 거친 손가락 모양의 부하를 가진 웨이브가이드 설계는 효과적인 전기장과 오버랩 적분(Γ)을 향상시켜, 전기장 E_x는 약 10배 향상되고, Γ는 기존 비슬롯형 웨이브가이드 대비 약 2배 향상되었다.
• 100개 이상의 FN-LC 기반 마흐-젠더 변조기를 포함한 완전 봉입 칩이 성공적으로 구현되었으며, 이는 확장성과 CMOS 제조 공정과의 호환성을 입증하였다.
• FN-LC 재료는 큰 이阶 비선형 비율(χ(2))과 자발적 분극을 가지며, 전기적 열처리 없이도 포켈 효과를 발생시킬 수 있어, 전기광학 폴리머 통합에서 주요 제조 장벽을 제거하였다.

Figure 2: Waveguide design simulation results. a The mode evolution in each arm of the MZM demonstrated by a 10 $\upmu m$ -long adiabatic strip-to-finger mode converter (section I) coupled to a 3 $\upmu m$ -long portion of the 500 $\upmu m$ FNS waveguide (section II). Transverse electric optical fie