[논문 리뷰] Ultra-wideband Waveguide-coupled Photodiodes Heterogeneously Integrated on a Thin-film Lithium Niobate Platform

Chao Wei, Youren Yu외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 13.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 얇은 필름 리튬니오브산염(TFLN) 플랫폼에 최초로 이종적으로 통합된 파손자 커플링형 InP/InGaAs 수정 유일이동장재(MUTC) 광다이오드를 제시하며, 1550 nm에서 0.4 A/W의 책임도와 함께 기록적인 3-dB 대역폭 110 GHz를 달성한다. 통합은 웨이퍼 수준의 이종 접합을 활용하여 고속, 소형, 확장 가능한 광집적회로를 실현하며, 강화된 광 격리 및 전기광학 성능을 제공한다.

ABSTRACT

With the advantages of large electro-optical coefficient, wide transparency window, and strong optical confinement, thin-film lithium niobate (TFLN) technique has enabled the development of various high-performance optoelectronics devices, ranging from the ultra-wideband electro-optic modulators to the high-efficient quantum sources. However, the TFLN platform does not natively promise lasers and photodiodes. This study presents an InP/InGaAs modified uni-traveling carrier (MUTC) photodiodes heterogeneously integrated on the TFLN platform with a record-high 3-dB bandwidth of 110 GHz and a responsivity of 0.4 A/W at a 1550-nm wavelength. It is implemented on a wafer-level TFLN-InP heterogeneous integration platform and is suitable for the large-scale, multi-function, and high-performance TFLN photonic integrated circuits.

연구 동기 및 목표

• 고속 광집적 통합을 위한 얇은 필름 리튬니오브산염(TFLN) 플랫폼에 내재된 광검출기가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 확장 가능한 광집적회로를 위한 고성능 광다이오드를 TFLN 파손자와 웨이퍼 수준에서 이종적으로 통합하기 위해.
• 100 GHz 이상의 초광대역 작동(≥100 GHz)과 1550 nm에서 높은 책임도를 달성하기 위해.
• 다양한 功能을 갖춘 통합 플랫폼에서 기존 TFLN 기반 장치(예: 변조기 및 양자 소스)와의 호환성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 웨이퍼 수준 접합 기술을 활용하여 얇은 필름 리튬니오브산염(TFLN) 플랫폼에 InP/InGaAs MUTC 광다이오드를 이종적으로 통합하기.
• TFLN 파손자에서 광을 InP 기반 흡수 영역으로 효율적으로 커플링하기 위한 파손자 커플링형 광다이오드 설계.
• 이동 시간을 감소시키고 대역폭을 증가시키기 위해 수정 유일이동장재(MUTC) 구조를 사용하기.
• 대역폭과 책임도의 균형을 맞추기 위해 광다이오드의 쇼트키 접합 및 인트리닉층 두께를 최적화하기.
• III-V 재료를 TFLN 기판에 정밀한 정렬과 고수율을 확보하기 위해 전이 인쇄 공정을 활용하기.
• S-파ram터 측정과 1550 nm에서의 책임도 테스트를 통해 RF 및 광학 성능을 특성화하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 광검출기가 없는 TFLN 플랫폼에 고대역폭 광다이오드를 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 TFLN에 이종적으로 통합된 파손자 커플링형 광다이오드의 최대 구현 가능한 대역폭은 얼마인가?
• RQ3 1550 nm에서 통합된 광다이오드의 책임도는 최신 기술 수준의 장치와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 웨이퍼 수준의 이종 통합은 TFLN에서 확장 가능한 다기능 광집적회로를 가능하게 하는가?
• RQ5 이러한 통합 광다이오드의 대역폭과 책임도를 결정짓는 주요 설계 및 공정 매개변수들은 무엇인가?

주요 결과

• 통합된 광다이오드는 기록적인 3-dB 전기적 대역폭 110 GHz를 달성하여 초광대역 작동을 입증한다.
• 장치는 1550 nm에서 0.4 A/W의 책임도를 나타내며, 높은 양자 효율성과 효과적인 광 커플링을 의미한다.
• 파손자 커플링 설계는 TFLN 파손자에서 III-V 흡수층으로의 효율적인 광력 전달을 가능하게 한다.
• 웨이퍼 수준의 이종 통합 공정은 고수율을 보장하며 대규모 광집적회로와의 호환성을 확보한다.
• TFLN 플랫폼은 고속 광검출뿐만 아니라 기존의 전기광학 변조 기능까지 지원하여 완전한 광집적 통합을 가능하게 한다.
• 결과적으로 단일 TFLN 기판 위에 고성능 다기능 광집적회로를 제작할 수 있음을 검증한다.