[논문 리뷰] On-chip integrated waveguide amplifiers on Erbium-doped thin film lithium niobate on insulator

Junxia Zhou, Youting Liang외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 04.

Photorefractive and Nonlinear Optics참고 문헌 19인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 광학 리소그래피를 활용한 화학기계식 에칭(PLACE) 기술을 사용하여 실리카 온더 인슐레이터 상에 에르븀 도핑된 박막 리튬니오브산타이트(Thin Film Lithium Niobate on Insulator, TFLNOI)에 내장된 파장차단 증폭기를 실현하였으며, 1530 nm에서 최대 내부 순이득 18 dB, 3.6 cm 파장차단 길이에서 5 dB/cm의 차등 이득을 달성하여 단일 플랫폼 상에서 능동 및 수동 광학 소자를 단일화 통합하는 데 성공하였다.

ABSTRACT

We demonstrate on-chip light amplification with integrated optical waveguide fabricated on erbium-doped thin film lithium niobate on insulator (TFLNOI) using the photolithography assisted chemo-mechanical etching (PLACE) technique. A maximum internal net gain of 18 dB in the small-signal-gain regime is measured at the peak emission wavelength of 1530 nm for a waveguide length of 3.6 cm, indicating a differential gain per unit length of 5 dB/cm. This work paves the way to the monolithic integration of diverse active and passive photonic components on the TFLNOI platform.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 기술과 호환되는 확장 가능한 온칩 파장차단 증폭기 플랫폼을 개발하기 위해.
• 단일 기판 상에서 능동(증폭기) 및 수동(파손도, 변조기) 광학 소자를 단일화 통합하기 위해.
• 에르븀 도핑된 박막 리튬니오브산타이트 온 인슐레이터(TFLNOI)를 사용하여 소형이고 통합된 파장차단 구조에서 높은 광학 이득을 달성하기 위해.
• 에르븀 도핑된 리튬니오브산타이트에서 정밀하고 저손실의 파장차단을 가능하게 하는 PLACE 기술을 통해 제조 방법을 입증하기 위해.
• 1530 nm 방출 피크에서 소신호 이득 영역에서 증폭기 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 능동 이득 매체로 에르븀 도핑된 박막 리튬니오브산타이트 온 인슐레이터(TFLNOI)를 사용한다.
• 정밀한 기하구조 및 표면 매끄러움을 제어할 수 있도록 광학 리소그래피를 활용한 화학기계식 에칭(PLACE) 기술을 사용하여 저손실, 고품질의 파장차단을 제조한다.
• 광학 이득을 최적화하고 전파 손실을 최소화하기 위해 3.6 cm 길이의 파장차단을 설계한다.
• 내부 순이득과 단위 길이당 차등 이득을 평가하기 위해 소신호 이득 성능을 측정한다.
• 에르븀 이온의 인version 상태를 유도하기 위해 표준 광학 펌핑 조건에서 증폭기를 작동시킨다.
• 최대 이득을 결정하기 위해 1530 nm의 피크 방출 파장에서 증폭기 반응을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 가능하고 정밀한 제조 기술을 사용하여 에르븀 도핑된 박막 리튬니오브산타이트 온 인슐레이터(TFLNOI)에 온칩 파장차단 증폭기를 성공적으로 제조할 수 있는가?
• RQ2 1530 nm 방출 피크에서 이러한 파장차단 증폭기에서 달성 가능한 최대 내부 순이득은 얼마인가?
• RQ3 단위 길이당 차등 이득은 얼마이며, 다른 통합 증폭기 플랫폼과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 PLACE 기술이 능동 광학 통합에 적합한 저손실, 고품질의 파장차단을 가능하게 하는가?
• RQ5 TFLNOI 플랫폼 상에서 얼마나 높은 수준의 능동 및 수동 광학 소자를 단일화 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 1530 nm 피크 방출 파장에서 소신호 이득 영역에서 최대 내부 순이득 18 dB를 달성하였다.
• 단위 길이당 차등 이득은 5 dB/cm로 측정되어 강력한 증폭 효율성을 보였다.
• 파장차단 증폭기는 3.6 cm 길이로 제조되어 통합 광학 회로의 확장 가능성을 입증하였다.
• 광학 리소그래피를 활용한 화학기계식 에칭(PLACE) 기술은 에르븀 도핑된 TFLNOI에서 고품질, 저손실의 파장차단 형성에 기여하였다.
• 결과는 TFLNOI 플랫폼 상에서 능동 및 수동 광학 소자의 단일화 통합 가능성을 확인하였다.
• 1530 nm에서의 성능 성과는 TFLNOI 플랫폼이 차세대 통합 광학 증폭기의 강력한 후보임을 입증하였다.