[논문 리뷰] Integrated electro-optics on thin-film lithium niobate

Yaowen Hu, Di Zhu외 14명|arXiv (Cornell University)|2024. 04. 09.

Photorefractive and Nonlinear Optics인용 수 5

한 줄 요약

thin-film lithium niobate에서의 통합 전기광학에 대한 검토로, 강한 전기광 커플링, 초저 광손실, 높은 마이크로파 대역폭, 광자 네트워크 및 양자 기술에서 재구성 가능성과 확장성의 기회에 초점을 맞춘다.

ABSTRACT

Electro-optics serves as the crucial bridge between electronics and photonics, unlocking a wide array of applications ranging from communications and computing to sensing and quantum information. Integrated electro-optics approaches in particular enable essential electronic high-speed control for photonics while offering substantial photonic parallelism for electronics. Recent strides in thin-film lithium niobate photonics have ushered revolutionary advancements in electro-optics. This technology not only offers the requisite strong electro-optic coupling but also boasts ultra-low optical loss and high microwave bandwidth. Further, its tight confinement and compatibility with nanofabrication allow for unprecedented reconfigurability and scalability, facilitating the creation of novel and intricate devices and systems that were once deemed nearly impossible in bulk systems. Building upon this platform, the field has witnessed the emergence of various groundbreaking electro-optic devices surpassing the current state of the art, and introducing functionalities that were previously non-existent. This technological leap forward provides a unique framework to explore various realms of physics as well, including photonic non-Hermitian synthetic dimensions, active topological physics, and quantum electro-optics. In this review, we present the fundamental principles of electro-optics, drawing connections between fundamental science and the forefront of technology. We discuss the accomplishments and future prospects of integrated electro-optics, enabled by thin-film lithium niobate platform.

연구 동기 및 목표

• 전기광학의 기본 원리와 이것이 thin-film lithium niobate에서 전자 제어와 광학의 통합을 어떻게 가능하게 하는지 설명한다.
• 박막 리튬 나이오배이트 플랫폼의 최근 성과와 이것이 소자 성능 및 확장성에 미치는 영향을 요약한다.
• 이 플랫폼에서의 통합 전기광학으로 탐구되는 향후 전망과 잠재적 물리현상에 대해 논의한다.

제안 방법

• 전기광학 원리와 그것의 thin-film lithium niobate 위 구현에 대한 검토와 합성.
• 재구성 가능성, 구속(광 confinement), 나노패브레이션 호환성과 같은 소자 특성에 대한 논의.
• 비허미니언 광자학, 활성 위상 물리학, 그리고 양자 전기광학과 같은 신흥 연구 분야의 기술 동향 연결에 대한 논의.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 thin-film lithium niobate에서 고성능 통합 소자를 가능하게 하는 기본적인 전기광학 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 통합 전기광학을 위한 박막 리튬 나이오배이트 플랫폼의 주요 성능 이점(손실, 대역폭, 구속)은 무엇인가?
• RQ3 비허미니언 광자학 혹은 양자 전기광학 규칙과 같은 이 플랫폼을 통해 접근할 수 있는 새로운 물리학 및 응용은 무엇인가?
• RQ4 박막 리튬 나이오배이트에서의 확장 가능하고 재구성 가능한 통합 전기광학 시스템의 현재 한계 및 향후 방향은 무엇인가?

주요 결과

• Thin-film lithium niobate는 강한 전기광 커플링과 초저 광손실를 제공한다.
• 이 플랫폼은 고마이크로파 대역폭과 촘촘한 광 구속을 지원한다.
• 나노패브레이션 호환성은 매우 재구성 가능하고 확장 가능한 소자 및 시스템을 가능하게 한다.
• 이 기술은 비허미니언 합성 차원과 양자 전기광학과 같은 새로운 물리적 영역의 탐사를 가능하게 한다.
• 본 리뷰는 기본 과학을 통합 전기광학의 기술적 발전 및 향후 전망과 연결한다.