[論文レビュー] Tightly confining lithium niobate photonic integrated circuits and lasers

Zihan Li, Rui Ning Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、リチウムニobレート光集積回路を、深く反応性イオンエッチングに耐える硬いマスクとしてダイアモンドライクカーボン（DLC）を用いて、きわめて狭いコンfinementを実現した。これにより、波ガイド損失を5.6 dB/mまで低減した。この手法により、高密度統合、効率的なエレクトロオプティカルモジュレーション、およびkHzライン幅、0.7 PHz/sの周波数可変性を有するハイブリッドIII-V/LiNbO3レーザーが実現され、従来のリッジ波ガイドの限界を克服した。

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.

研究の動機と目的

• リチウムニオブレートの乾式エッチングに対する耐性のため、きめ細かくコンfinementされた波ガイドを形成する課題を克服すること。
• リチウムニオブレートオブインシュレータ（LNOI）のようなフェロエレクトリック材料における高密度光集積を可能にすること。
• CMOS準拠で低損失の波ガイドプラットフォームを構築し、効率的なエレクトロオプティカルモジュレーションを可能にすること。
• コンパクトで統合された光集積回路におけるファイバー接続の実用的ルートを確立すること。
• 周波数可変性が高く、位相ノイズが低く、高速かつ線形性に優れたレーザーを実現すること。

提案手法

• リチウムニオブレートオブインシュレータ（LNOI）基板の深く反応性イオンエッチングに、ダイアモンドライクカーボン（DLC）を硬いマスクとして用いる。
• DLCの高硬度とエッチング耐性を活かし、サブミクロンスケールで深くエッチングされた波ガイド構造を実現する。
• 従来のリッジ波ガイドよりも優れたモードコンfinementを実現する、きめ細かくコンfinementされた低損失波ガイドを形成する。
• III-V半導体材料をLNOIとモノリシックに統合し、ハイブリッドレーザーを形成する。
• CMOS準拠の電圧を用いてエレクトロオプティカルモジュレータを駆動し、高速周波数変調を実現する。
• 低損失伝送、ライン幅測定、周波数変調速度分析を用いて、光学的性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイアモンドライクカーボン（DLC）は、リチウムニオブレートオブインシュレータ（LNOI）の深エッチングに有効な硬いマスクとして機能し、きめ細かくコンfinementされた波ガイドを実現できるか？
• RQ2 DLC処理を施した深くエッチングされたリチウムニオブレート波ガイドで達成可能な伝送損失はどの程度か？
• RQ3 ハイブリッドIII-V/LiNbO3レーザーは、kHzライン幅と0.7 Peta-Hertz毎秒の周波数変調速度を達成し、高い線形性を示せるか？
• RQ4 DLCエッチング波ガイドの統合密度は、LNOIにおける従来のリッジ波ガイドと比べてどの程度か？
• RQ5 製造されたプラットフォームは、効率的なエレクトロオプティカルモジュレーションと実用的なファイバー接続をサポートできるか？

主な発見

• 著者らは、DLCを硬いマスクとして用いることで、深くエッチングされ、きめ細かくコンfinementされたリチウムニオブレート波ガイドで、波ガイド伝送損失を5.6 dB/mまで低減した。
• DLCベースのプロセスにより、従来のリッジ波ガイドと比較して、面積統合密度が10倍以上向上した。
• ハイブリッドIII-V/LiNbO3レーザーは、1 kHzのライン幅と0.7 Peta-Hertz毎秒の周波数変調速度を達成した。
• レーザーは優れた線形性を示し、CMOS準拠の駆動電圧で動作した。
• プラットフォームは、効率的なエレクトロオプティカルモジュレーションをサポートし、実用的な光ファイバー接続を可能にした。
• 本結果により、フェロエレクトリック材料向けにスケーラブルで低損失かつ高密度な光集積回路プラットフォームが確立された。