[논문 리뷰] Tightly confining lithium niobate photonic integrated circuits and lasers

Zihan Li, Rui Ning Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 10.

Photonic and Optical Devices인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 리튬 niobate 광학 집적 회로를 깊은 반응성 이온 에칭을 위해 다이아몬드 유사 탄소(DLC)를 경화 마스크로 사용하여 밀도 높고 강하게 봉인된 구조로 구현함으로써, 파장관 손실을 최소 5.6 dB/m까지 낮추는 것을 보여주었다. 이 방법은 고밀도 통합, 효율적인 전기광학 모듈레이션, kHz 라인폭과 0.7 PHz/s 테이닝 속도를 갖춘 하이브리드 III-V/LiNbO3 레이저를 실현하여 기존 리지 웨이브가이드의 한계를 극복한다.

ABSTRACT

Photonic integrated circuits are indispensible for data transmission within modern datacenters and pervade into multiple application spheres traditionally limited for bulk optics, such as LiDAR and biosensing. Of particular interest are ferroelectrics such as Lithium Niobate, which exhibit a large electro-optical Pockels effect enabling ultrafast and efficient modulation, but are difficult to process via dry etching . For this reason, etching tightly confining waveguides - routinely achieved in silicon or silicon nitride - has not been possible. Diamond-like carbon (DLC) was discovered in the 1950s and is a material that exhibits an amorphous phase, excellent hardness, and the ability to be deposited in nano-metric thin films. It has excellent thermal, mechanical, and electrical properties, making it an ideal protective coating. Here we demonstrate that DLC is also a superior material for the manufacturing of next-generation photonic integrated circuits based on ferroelectrics, specifically Lithium Niobate on insulator (LNOI). Using DLC as a hard mask, we demonstrate the fabrication of deeply etched, tightly confining, low loss photonic integrated circuits with losses as low as 5.6 dB/m. In contrast to widely employed ridge waveguides, this approach benefits from a more than 1 order of magnitude higher area integration density while maintaining efficient electro-optical modulation, low loss, and offering a route for efficient optical fiber interfaces. As a proof of concept, we demonstrate a frequency agile hybrid integrated III-V Lithium Niobate based laser with kHz linewidth and tuning rate of 0.7 Peta-Hertz per second with excellent linearity and CMOS-compatible driving voltage. Our approach can herald a new generation of tightly confining ferroelectric photonic integrated circuits.

연구 동기 및 목표

• 리튬 니오브산이 건식 에칭에 저항하는 성질을 지녀, 강하게 봉인된 웨이브가이드를 제작하는 데 어려움이 있음을 해결하기 위해.
• 리튬 니오브산 온 인슐레이터(LNOI)와 같은 페로일렉트릭 물질에서 고밀도 광학 통합을 가능하게 하기 위해.
• CMOS 호환성과 낮은 손실을 갖춘 웨이브가이드 플랫폼을 개발하여 효율적인 전기광학 모듈레이션을 지원하기 위해.
• 소형 통합 광학 회로에서 섬유 인터페이싱을 실용적으로 구현할 수 있는 길을 마련하기 위해.
• 높은 테이닝 속도와 선형성을 갖춘 주파수 유연성 있는 저위상 노이즈 레이저를 실현하기 위해.

제안 방법

• 리튬 니오브산 온 인슐레이터(LNOI) 기판의 깊은 반응성 이온 에칭을 위해 다이아몬드 유사 탄소(DLC)를 경화 마스크로 사용하기 위해.
• DLC의 높은 경도와 에칭 저항성을 활용하여 마이크론 이하의 깊은 에칭 웨이브가이드 구조를 실현하기 위해.
• 기존 리지 웨이브가이드보다 우수한 모드 봉인 성능을 갖춘 강하게 봉인된 저손실 웨이브가이드를 제작하기 위해.
• LNOI와 단일결합된 III-V 반도체 재료를 통합하여 하이브리드 레이저를 형성하기 위해.
• CMOS 호환 전압을 적용하여 전기광학 모듈레이터를 구동하고 고속 테이닝을 실현하기 위해.
• 저손실 전파, 라인폭 측정 및 테이닝 속도 분석을 통해 광학 성능을 특성화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 유사 탄소(DLC)가 리튬 니오브산 온 인슐레이터(LNOI)의 깊은 에칭을 위한 효과적인 경화 마스크로 기능할 수 있는가? 이는 강하게 봉인된 웨이브가이드를 가능하게 하는가?
• RQ2 DLC 처리를 거친 깊이 에칭된 리튬 니오브산(LiNbO3) 웨이브가이드에서 달성 가능한 전파 손실은 얼마인가?
• RQ3 하이브리드 III-V/LiNbO3 레이저는 높은 선형성과 함께 kHz 라인폭과 0.7 Peta-Hertz per second의 테이닝 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 DLC 에칭 웨이브가이드의 통합 밀도는 LNOI에서 기존 리지 웨이브가이드와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 제작된 플랫폼은 효율적인 전기광학 모듈레이션과 실용적인 섬유 인터페이싱을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 저자는 DLC를 경화 마스크로 사용하여 깊이 에칭된 강하게 봉인된 리튬 니오브산 웨이브가이드에서 최소 5.6 dB/m의 파장관 손실을 달성하였다.
• DLC 기반 제조 공정은 기존 리지 웨이브가이드 대비 면적 통합 밀도를 10배 이상 향상시켰다.
• 하이브리드 III-V/LiNbO3 레이저는 1 kHz의 라인폭과 0.7 Peta-Hertz per second의 테이닝 속도를 실현하였다.
• 레이저는 뛰어난 선형성과 CMOS 호환 구동 전압에서 작동하였다.
• 플랫폼은 효율적인 전기광학 모듈레이션을 지원하고 실용적인 광섬유 인터페이싱을 가능하게 하였다.
• 결과적으로, 이는 페로일렉트릭 물질을 위한 확장 가능하고 저손실, 고밀도 광학 통합 플랫폼을 확립하였다.