[논문 리뷰] A high-gain cladded waveguide amplifier on erbium doped thin-film lithium niobate fabricated using photolithography assisted chemo-mechanical etching

Youting Liang, Junxia Zhou외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 10.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광학 집적 회로 및 고밀도 광통신을 위한 핵심 기술로 부상하고 있는 투명한 실리카 기반 리튬니오브산탄(Insulator) 기반 얇은 필름 리튬니오브산탄(LNOI)에서, 포토리소그래피 보조 화학기계 연마 공정(PLACE)을 통해 제작된 Ta2O5 双클래딩 구조를 적용한 고이득 에르비움 Dop한 웨이브가이드 증폭기를 제시한다. 980 nm로 펌프된 10 cm 길이의 증폭기에서 1532 nm 파장에서 내부 네트워크 이득이 20 dB 이상을 기록하였으며, 이는 모드 봉쇄 성능 향상과 산란 손실 감소로 인해 공기 클래딩 대비 뚜렷한 성능 향상을 보여주었다.

ABSTRACT

Erbium doped integrated waveguide amplifier and laser prevail in power consumption, footprint, stability and scalability over the counterparts in bulk materials, underpinning the lightwave communication and large-scale sensing. Subject to the highly confined mode and moderate propagation loss, gain and power scaling in such integrated micro-to-nanoscale devices prove to be more challenging compared to their bulk counterparts. In this work, stimulated by the prevalent success of double-cladding optical fiber in high-gain/power operation, a Ta2O5 cladding is employed in the erbium doped lithium niobate (LN) waveguide amplifier fabricated on the thin film lithium niobate on insulator (LNOI) wafer by the photolithography assisted chemomechanical etching (PLACE) technique. Above 20 dB small signal internal net gain is achieved at the signal wavelength around 1532 nm in the 10 cm long LNOI amplifier pumped by the diode laser at ~980 nm. Experimental characterizations reveal the advantage of Ta2O5 cladding in higher optical gain compared with the air-clad amplifier, which is further explained by the theoretical modeling of the LNOI amplifier including the guided mode structures and the steady-state response of erbium ions.

연구 동기 및 목표

• 고이차 모드 봉쇄와 고손실로 인해 발생하는 통합 에르비움 도핑 웨이브가이드 증폭기의 낮은 이득 문제를 해결하기 위함.
• 섬유 증폭기의 아이디어를 응용한 이중 클래딩 구조를 도입하여 마이크로~나노스케일 통합 웨이브가이드에서의 광학적 이득 및 출력 전력 스케일링을 향상시키기 위함.
• 신규 제조 기술을 적용한 탄소 기반 얇은 필름 리튬니오브산탄(LNOI) 기반에서의 확장 가능하고 컴act하며 고성능 증폭기를 구현하기 위함.
• 실험적 및 이론적 분석을 통해 Ta2O5 클래딩이 공기 클래딩 대비 이득 향상에 미치는 우월성을 검증하기 위함.

제안 방법

• 포토리소그래피 보조 화학기계 연마 공정(PLACE)을 활용해 리튬니오브산탄 온 인슐레이터(LNOI) 웨이퍼에 10 cm 길이의 에르비움 도핑 웨이브가이드를 제작하여 정밀한 웨이브가이드 패턴 형성.
• 웨이브가이드 코어 주변에 텅스텐 산화물(Ta2O5) 클래딩 층을 도입하여 광학 모드의 봉쇄 성능 향상과 복사 손실 감소를 도모.
• 980 nm 다이오드 레이저를 펌프 소스로 사용하여 도핑된 웨이브가이드 내 에르비움 이온을 자극된 방출을 유도하고 1532 nm에서의 광학적 이득을 생성.
• 유도된 모드 프로파일과 정적 상태의 에르비움 이온 반응을 분석하여 이득 향상 메커니즘을 이론적으로 모델링.
• 내부 네트워크 이득, 전파 손실, 모드 필드 분포를 실험적으로 측정하여 성능 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇은 필름 리튬니오브산탄 웨이브가이드에서 이중 클래딩 구조가 공기 클래딩 구조에 비해 광학적 이득을 뚜렷이 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 Ta2O5 클래딩은 에르비움 도핑 통합 웨이브가이드에서 전파 손실을 얼마나 감소시키고 모드 봉쇄 성능을 향상시키는가?
• RQ3 PLACE 공정을 활용한 980 nm 펌프를 사용하는 10 cm 길이의 에르비움 도핑 LNOI 증폭기에서 확보 가능한 내부 네트워크 이득은 얼마인가?
• RQ4 유도된 모드 구조와 에르비움 이온 인구 역학은 통합 웨이브가이드 증폭기에서 이득 스케일링에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 10 cm 길이의 에르비움 도핑 LNOI 웨이브가이드 증폭기에서 1532 nm 신호 파장에서 실험적으로 20 dB 이상의 내부 네트워크 이득을 확보하였다.
• Ta2O5 클래딩 증폭기는 공기 클래딩 대비 뚜렷한 광학적 이득 향상을 보였으며, 이는 이중 클래딩 설계의 효과성을 확인하였다.
• 이론적 모델링 결과, Ta2O5 클래딩에 의한 향상된 모드 봉쇄 성능과 감소된 전파 손실이 이득 향상의 주요 기여 요소임을 규명하였다.
• 포토리소그래피 보조 화학기계 연마(PLACE) 공정은 낮은 표면 거칠기와 낮은 전파 손실을 갖는 고정밀 웨이브가이드 제작을 가능케 하였다.
• 측정된 전파 손실 수준은 컴act한 통합 플랫폼에서 고이득 작동을 지원하기에 충분히 낮았다.