[논문 리뷰] High-efficiency electro-optic modulator on thin-film lithium niobate with high-permittivity cladding

Nuo Chen, Kangping Lou외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 14.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두께가 얇은 리튬니오브산염(TFLN) 기반 고효율 전기광학 모듈레이터를 제안하며, 전기장 강도와 광 모드와의 겹침을 향상시키기 위해 고허용도 클래딩을 사용한다. 이로 인해 기록적인 낮은 반파장 전압-길이 곱인 1.41 V·cm을 달성하였고, 초과 손실은 0.5 dB이며, 3 dB 대역폭은 40 GHz를 초과하여 작고 고성능의 광집적회로를 실현한다.

ABSTRACT

Thin-film lithium niobate is a promising platform owing to its large electro-optic coefficients and low propagation loss. However, the large footprints of devices limit their application in large-scale integrated optical systems. A crucial challenge is how to maintain the performance advantage given the design space restrictions in this situation. This article proposes and demonstrates a high-efficiency lithium niobate electro-optic (EO) modulator with high-permittivity cladding to improve the electric field strength in waveguides and its overlap with optical fields while maintaining low optical loss and broad bandwidth. The proposed modulator exhibits considerable improvement, featuring a low half-wave voltage-length product of 1.41 Vcm, a low excess loss of 0.5 dB, and a broad 3 dB EO bandwidth of more than 40 GHz. This modulation efficiency is the highest reported for a broadband lithium niobate modulator so far. The design scheme of using high-permittivity cladding may provide a promising solution for improving the integration of photonic devices on the thin-film lithium niobate platform and these devices may serve as fundamental components in large-scale photonic integrated circuits in the future.

연구 동기 및 목표

• 두께가 얇은 리튬니오브산염(TFLN) 전기광학 모듈레이터에서 큰 장치 면적 문제를 해결하면서도 높은 성능을 유지하고자 한다.
• 광학 모드와의 전기장 겹침을 증가시켜 TFLN 웨이브가이드에서 전기광학 효과를 향상시키되, 전파 손실을 증가시키지 않도록 하고자 한다.
• 대규모 광집적회로를 위한 고대역폭, 저전력, 소형 전기광학 모듈레이션을 실현하고자 한다.
• 고허용도 클래딩을 새로운 설계 전략으로 삼아 모듈레이터 효율을 향상시키는 가능성 탐색

제안 방법

• 모듈레이터는 상하에 고허용도 절연체 클래딩층을 도포한 두께가 얇은 리튬니오브산염 웨이브가이드를 사용한다.
• 고허용도 클래딩은 웨이브가이드 코어 내 전기장의 봉쇄를 증가시켜 전기광학 효과를 향상시킨다.
• 최적화된 웨이브가이드 기하구조와 재료 품질을 통해 낮은 광학 전파 손실을 유지한다.
• 전자빔 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 포함한 표준 반도체 가공 기법을 사용해 장치를 제작한다.
• S-파라미터 측정 및 최대 40 GHz까지의 직접 모듈레이션 테스트를 통해 전기광학 응답을 특성화한다.
• 반파장 전압-길이 곱(VπL)은 측정된 감쇠비와 대역폭에서 추출된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고허용도 클래딩이 두께가 얇은 리튬니오브산염 웨이브가이드에서 광 모드와의 전기장 겹침을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 고허용도 클래딩을 사용함으로써 VπL을 낮추되 광학 손실이나 대역폭을 악화시키지 않을 수 있는가?
• RQ3 이 클래딩 기반 접근법을 사용한 소형 TFLN 모듈레이터에서 도달 가능한 최대 전기광학 대역폭은 얼마인가?
• RQ4 이러한 성능 측면에서 최신 TFLN 장치들과 비교해 이 모듈레이터의 효율성과 손실은 어떠한가?

주요 결과

• 모듈레이터는 기록적인 낮은 반파장 전압-길이 곱 1.41 V·cm을 달성하여 광대역 리튬니오브산염 모듈레이터 중에서 보고된 바 가장 높은 조절 효율성을 나타낸다.
• 장치는 오직 0.5 dB의 초과 손실을 보이며, 뛰어난 광학 전파 성능을 입증한다.
• 3 dB 전기광학 대역폭은 40 GHz를 초과하여 고속 응용에 적합한 넓은 작동 대역폭을 확인한다.
• 고허용도 클래딩은 웨이브가이드 코어 내 전기장 강도를 효과적으로 향상시켜 전기광학 상호작용 효율을 증가시킨다.
• 낮은 광학 손실을 유지하면서도 VπL 지표를 크게 향상시켜 소형 통합을 가능하게 한다.