[논문 리뷰] Integrated spiral waveguide amplifiers on erbium-doped thin-film lithium niobate

Xiongshuo Yan, Yian Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 01.

Photorefractive and Nonlinear Optics인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 호환성 있는 공정을 사용하여 erbium- doping된 얇은 편광성 리튬니오바이트(LNOI) 기반의 고이득, 소형의 나선형 파손파이프 증폭기를 구현한다. 5.3-mm 길이의 나선형 파손파이프와 약 0.06 mm²의 면적을 가진 이 증폭기는 1530 nm에서 최대 내부 순이득 8.3 dB, 단위 길이당 이득 15.6 dB/cm를 달성하여 LNOI 플랫폼에서 능동 및 수동 광학 장치의 효율적인 온칩 통합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Integrated optical amplifiers and light sources are of great significance for photonic integrated circuits (PICs) and have attracted many research interests. Doping rare-earth ions in materials as a solution to realize efficient optical amplifiers and lasing has been investigated a lot. We investigate the erbium-doped lithium niobate on insulator (LNOI). Here, spiral waveguide amplifiers were fabricated on a 1-mol\% erbium-doped LNOI by CMOS-compatible technique. We demonstrated a maximum internal net gain of 8.3 dB at 1530 nm indicating a net gain per unit length of 15.6 dB/cm with a compact spiral waveguide of 5.3 mm length and $ \sim $0.06 mm$ ^{2} $ footprint. The erbium-doped integrated lithium niobate spiral waveguide amplifiers would pave the way in the PICs of the lithium niobate platform, especially in achieving efficient integration of active and passive devices on a lithium niobate thin film, which will make full use of its excellent physical properties such as remarkable photoacoustic, electro-optic, and piezoelectric characteristics.

연구 동기 및 목표

• 광학 집적회로(PICs)에서 온칩 광학 증폭을 가능하게 하기 위해 리튬니오바이트 기반 플랫폼에 능동 및 수동 장치를 통합한다.
• 리튬니오바이트가 비효율적인 이득 매체라는 한계를 극복하기 위해 어드바이저 이온으로 도핑하여 광학 증폭을 실현한다.
• 밀도 높은 PICs에 적합한 밀도 높은 통합을 위한 나선형 파손파이프 기하구조를 활용한 소형, 고이득 파손파이프 증폭기를 구현한다.
• CMOS 호환성 공정을 사용한 1-mol% 어드바이저 도핑 LNOI 기반 플랫폼에서 소형 면적, 고성능 증폭기를 구현한다.
• 확장 가능한 광학 회로를 위한 LNOI 플랫폼에서 능동 장치(예: 증폭기, 레이저)의 효율적 통합을 가능하게 한다.

제안 방법

• 전자선 리소그래피(EBL) 및 반응성 이온 에칭(RIE)을 사용하여 1-mol% 어드바이저 도핑 LNOI 기판에 나선형 파손파이프 증폭기를 제작한다.
• 파손파이프의 구속을 위해 2-µm 두께의 실리카 매립 산화막과 500-µm 두께의 실리콘 기판 위에 600-nm 두께의 어드바이저 도핑 리튬니오바이트층을 사용한다.
• 전파 손실 및 커플링 손실 측정 결과를 바탕으로 캘리브레이션된 도핑 및 신호 전력으로 1550-nm 신호 및 980-nm 펌프 원천을 사용한다.
• 1550 nm에서 고정된 Q 인자 5×10⁴, 내재 Q 인자 5.4×10⁴를 가지는 마이크로링 공진기를 사용하여 전파 손실을 측정한다.
• 공식 α = 2πnₑff / (λ₀Qᵢ)를 사용하여 전파 손실을 계산하여 1550 nm에서 약 6.86 dB/cm의 값을 도출한다.
• 신호 스펙트럼과 펌프 전력 대비 이득 곡선을 이용하여 순이득을 특성화하며, 약 10 mW의 펌프 전력에서 이득 포화 현상을 관측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선형 파손파이프 기하구조는 어드바이저 도핑 LNOI에서 소형 면적 내 고광학 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 1-mol% 어드바이저 도핑 LNOI 기반 나선형 파손파이프 증폭기에서 도달 가능한 최대 내부 순이득은 얼마인가?
• RQ3 이 기하구조에서의 순이득 단위 길이 대비 기존 직선 파손파이프 증폭기와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 C 대역에서의 순이득 대역폭은 얼마이며, 온칩 광학 통합을 어떻게 지원하는가?
• RQ5 나선형 파손파이프에서의 강한 빛 구속은 면적을 줄이면서도 높은 증폭 효율을 유지하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 10.78 mW의 도핑 전력과 -10.7 dBm의 신호 전력 조건에서 1530 nm에서 최대 내부 순이득 8.3 dB를 달성하였다.
• 단위 길이당 순이득 15.6 dB/cm를 기록하여 이전에 보고된 어드바이저 도핑 LNOI 파손파이프 증폭기의 값들을 초월하였다.
• 총 길이 5.3 mm, 면적 약 0.06 mm²를 가진 나선형 파손파이프 증폭기는 어드바이저 도핑 LNOI 파손파이프 증폭기 중 현재까지 보고된 바 중 가장 작은 면적을 기록하였다.
• 마이크로링 공진기 특성 분석을 통해 전파 손실을 약 6.86 dB/cm로 측정하였으며, 이는 5.3-mm 파손파이프에서 약 3.64 dB의 손실 기여를 한다.
• 980 nm에서의 커플링 손실은 16 dB, 1550 nm에서의 커플링 손실은 13.4 dB였으며, 이는 도핑 및 신호 전력의 캘리브레이션에 사용되었다.
• 증폭기는 1530–1570 nm 범위에서 3 dB 이상의 이득 대역폭을 가지며, C 대역 광학 통합에 적합함을 나타낸다.