[논문 리뷰] Integrated Electro-Optic Isolator on Thin Film Lithium Niobate

Mengjie Yu, Rebecca Cheng외 10명|Figshare|2022. 12. 04.

Magneto-Optical Properties and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 투명한 펄스형 리튬니오브산탄(Thin-Film Lithium Niobate, TFLN) 기반에서 전자광학(EO) 이sov레이터를 완전히 통합하여, 단일 주파수 마이크로파 드라이브를 이용한 진행파 구조로 48 dB의 이sov레이션과 오직 0.5 dB의 칩 내 손실을 달성한다. 이 장치는 120 nm 대역폭(1510–1630 nm)에서 작동하며, 저전력(RF)으로도 작동하여 고성능을 보이며, 칩스케일 광시스템에 대한 단일 칩 통합과의 호환성을 확보한다.

ABSTRACT

Optical isolator is an indispensable component of almost any optical system and is used to protect a laser from unwanted reflections for phase-stable coherent operation. The development of chip-scale optical systems, powered by semiconductor lasers integrated on the same chip, has resulted in a need for a fully integrated optical isolator. However, conventional approaches based on application of magneto-optic materials to break the reciprocity and provide required isolation have significant challenges in terms of material processing and insertion loss. As a result, many magnetic-free approaches have been explored, including acousto-optics, optical nonlinearity, and electro-optics. However, to date, the realization of an integrated isolator with low insertion loss, high isolation ratio, broad bandwidth, and low power consumption on a monolithic material platform is still absent. Here we realize non-reciprocal traveling-wave EO-based isolator on thin-film LN, enabling maximum optical isolation of 48 dB and an on-chip insertion loss of 0.5 dB using a single-frequency microwave drive at 21-dBm RF power. The isolation ratio is verified to be larger than 37 dB across a tunable optical wavelength range from 1510 to 1630 nm. We verify that our hybrid DFB laser - LN isolator module successfully protects the single-mode operation and the linewidth of the DFB laser from reflection. Our result is a significant step towards a practical high-performance optical isolator on chip.

연구 동기 및 목표

• 단일 칩 반도체 레이저와 호환되는 완전 통합형 자기장이 없는 광 이sov레이터 개발
• 기존 자화광학 이sov레이터의 통합성, 손실 및 전력 소모의 한계를 극복하기 위해
• 단일 칩 TFLN 플랫폼에서 고이sov레이션, 저손실, 넓은 대역폭 및 저전력 RF 소모를 달성하기 위해
• 위상 안정 작동을 위한 단일 모드 DFB 레이저와의 실용적 호환성 입증을 위해
• 비대칭 광 제어가 필요한 확장 가능한 칩 통합 광시스템을 가능하게 하기 위해

제안 방법

• 진행파 전자광학 변조기를 투명한 펄스형 리튬니오브산탄에 적용하여 광학의 상호성 파괴
• 포켈 효과를 통해 동적 이방성 현상을 유도하기 위해 21 dBm의 단일 주파수 마이크로파 드라이브를 사용
• 광대역 작동을 위해 위상 일치 전극을 갖춘 맥스웰-지너 간섭계 유사 구조 설계
• 동일한 TFLN 칩에 하이브리드 DFB 레이저와 함께 전자광학 이sov레이터를 단일 칩으로 통합
• 손실 최소화 및 이sov레이션 최대화를 위해 전극 기하학 및 RF 임피던스 매칭 최적화
• 비대칭 위상 이동을 생성하기 위해 이중 드라이브 구조를 사용하여 비대칭 위상 이동 유도

실험 결과

연구 질문

• RQ1 투명한 펄스형 리튬니오브산탄 플랫폼에서 저손실 및 고이sov레이션 성능을 갖춘 완전 통합형 자기장이 없는 광 이sov레이터를 실현할 수 있는가?
• RQ2 단일 주파수 마이크로파 드라이브를 사용한 EO 기반 이sov레이터의 구현 가능한 이sov레이션 대역폭과 전력 효율성은 얼마인가?
• RQ3 이sov레이터가 단일 칩 DFB 레이저의 반사파에 대해 효과적으로 보호하면서도 라인폭과 단일 모드 작동을 유지할 수 있는가?
• RQ4 이sov레이터의 성능는 넓은 광학 파장 범위에서 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 진행파 TFLN 기반 이sov레이터에서 RF 전력, 이sov레이션 및 손실 간의 상호 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 21-dBm RF 드라이브를 사용하여 최대 48 dB의 광학적 이sov레이션과 오직 0.5 dB의 칩 내 손실 달성
• 조정 가능한 광학 파장 범위 1510–1630 nm에서 이sov레이션 비율이 37 dB 초과를 유지하여 넓은 대역폭 작동을 입증
• 하이브리드 DFB 레이저–TFLN 이sov레이터 모듈이 레이저의 단일 모드 작동을 효과적으로 보호하고 반사 조건에서도 라인폭을 유지함
• 진행파 마이크로파 드라이브 하에서 포켈 효과에 의해 유도된 비대칭 위상 이동을 통해 자기장이 없는 작동 실현
• 완전한 단일 칩 통합 및 칩 내 통합과의 호환성으로 확장 가능한 포토닉 통합 회로 구현 가능
• 고성능, 저손실, 넓은 대역폭의 통합 광학 이sov레이터가 투명한 펄스형 리튬니오브산탄에서 실현 가능함을 검증