[논문 리뷰] Lithium Niobate Michelson Interferometer Modulator on Silicon-On-Insulator Platform

Mengyue Xu, Wenjun Chen외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 05.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 23인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 실리콘-온-아이솔레이터 플랫폼에 구현된 하이브리드 실리콘-리튬니오브산(이하 LN) 마이켈슨 간섭계 변조기를 제안한다. 고대비 리튬니오브산 웨이브가이드와 저손실 실리콘 회로를 통합하여 높은 변조 효율을 달성한다. 장치는 기록적인 1.2 V·cm의 변조 효율, 3.3 dB의 삽입 손실, 17.5 GHz의 3-dB 대역폭을 나타내며, 32 및 40 Gbit/s에서 고속 동작을 가능하게 하며, 각각 8 dB와 6.6 dB의 동적 감쇠비를 확보한다.

ABSTRACT

We propose and demonstrate a hybrid silicon and lithium niobate Michelson Interferometer Modulator (MIM) with enhanced modulation efficiency compared to a Mach-Zehnder modulator. The modulator is based on seamless integration of a high-contrast waveguide based on lithium niobate-a popular modulator material-with compact, low-loss silicon circuitry. The present device demonstrates a modulation efficiency as high as 1.2 Vcm and a low insertion loss of 3.3 dB. The 3dB electro-optic bandwidth is approximately 17.5 GHz. The optical eye diagrams, operating at 32 Gbit/s and 40 Gbit/s, with measured dynamic extinction ratios at 8 dB and 6.6 dB respectively. The present device avoids absorption loss and nonlinearity in conventional silicon modulators and demonstrates highest modulation efficiency in LN modulators, showing potential in future optical interconnects.

연구 동기 및 목표

• 기존 실리콘 마흐-제이더너 변조기의 고전압 손실 및 비선형성 등의 한계를 극복하기 위해.
• 리튬니오브산의 뛰어난 전기광학 성질을 활용하여 고효율 광변조를 실현하기 위해.
• 실리콘-온-아이솔레이터 플랫폼에서 고대비 리튬니오브산 웨이브가이드와 저손실 실리콘 광학 회로를 원활하게 통합하기 위해.
• 향후 광인터커넥트에 적합한 고성능, 소형화된 변조기를 구현하기 위해.

제안 방법

• 변조기는 리튬니오브산 웨이브가이드를 위상변조기로 사용하는 마이켈슨 간섭계 아키텍처를 채택하여 강력한 포켈 효과를 활용해 효율적인 전기광학 변조를 실현한다.
• 고대비 리튬니오브산 웨이브가이드는 이온 슬라이싱 및 안내를 통해 제작되어 강한 빛의 구속과 낮은 전파 손실을 가능하게 한다.
• 간섭계의 패스와 커플러 구조에는 실리콘 웨이브가이드를 사용하여 낮은 전파 손실과 CMOS 제조 공정과의 호환성을 확보한다.
• 정밀한 정렬 및 접합 기술을 통해 리튬니오브산 및 실리콘 구성 요소를 통합하여 광학적 및 전기적 인터페이스의 원활한 통합을 실현한다.
• 리튬니오브산 영역에 전기 신호를 인가하여 위상 이동을 유도하고 간섭을 통해 출력 강도를 변조한다.
• 순수 실리콘 변조기에서 흔히 발생하는 흡수 손실과 비선형성을 줄이기 위해 위상 변조를 리튬니오브산으로 이관한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘-온-아이솔레이터 플랫폼에서 하이브리드 실리콘-리튬니오브산 마이켈슨 간섭계가 기존 마흐-제이더너 변조기보다 높은 변조 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고대비 리튬니오브산 웨이브가이드와 저손실 실리콘 회로의 통합이 삽입 손실과 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 소형화 및 저손실 최적화를 위해 설계된 리튬니오브산 기반 변조기에서 도달 가능한 최대 변조 효율은 얼마인가?
• RQ4 32 Gbit/s 및 40 Gbit/s와 같은 고속 데이터 전송을 충분한 감쇠비로 지원할 수 있는가?
• RQ5 리튬니오브산 영역에서 흡수 손실과 비선형성이 없는 것이 순수 실리콘 변조기 대비 성능 향상에 기여하는가?

주요 결과

• 변조기는 1.2 V·cm의 변조 효율을 달성하여 리튬니오브산 기반 변조기 중 기록적인 최고 수준을 기록한다.
• 장치는 3.3 dB의 삽입 손실을 나타내며 하이브리드 시스템 내 낮은 전파 및 커플링 손실을 확인한다.
• 3-dB 전기 대역폭은 17.5 GHz에 도달하여 데이터컴 응용 분야에 적합한 고속 동작을 가능하게 한다.
• 32 Gbit/s 및 40 Gbit/s에서의 광학 이든 다이어그램은 각각 8 dB와 6.6 dB의 동적 감쇠비를 보이며 신호 무결성을 확인한다.
• 순수 실리콘 변조기에서 흔히 발생하는 흡수 손실과 비선형성을 피함으로써 성능과 선형도가 향상된다.
• 리튬니오브산 및 실리콘 구성 요소의 통합은 스케일러블 광학 집적회로에 잠재력을 지닌 소형 고성능 변조기를 가능하게 한다.