[论文解读] A power-efficient integrated lithium niobate electro-optic comb generator

Ke Zhang, Wenzhao Sun+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 39被引用 4

一句话总结

本文提出了一种功耗高效的集成钽酸锂电光频率梳发生器，通过在调制电极中实现四次往返光路，利用低损耗模式复用器和波导交叉结构实现宽带频率梳生成。通过使光信号四次通过电极，相位调制效率显著提升，电功率消耗降低一个多数量级，仅需28 dBm（0.63 W）射频驱动功率即可生成47条线、重复频率为25 GHz的频率梳。

ABSTRACT

Integrated electro-optic (EO) frequency combs are essential components for future applications in optical communications, light detection and ranging, optical computation, sensing and spectroscopy. To date, broadband on-chip EO combs are typically generated in high-quality-factor micro-resonators, while the more straightforward and flexible non-resonant method, usually using single or cascaded EO phase modulators, often requires high driving power to realize a reasonably strong modulation index. Here, we show that the phase modulation efficiency of an integrated lithium niobate modulator could be dramatically enhanced by passing optical signals through the modulation electrodes for a total of 4 round trips, via multiple low-loss TE0/TE1 mode multiplexers and waveguide crossings, reducing electrical power consumption by more than one order of magnitude. Using devices fabricated from a wafer-scale stepper lithography process, we demonstrate a broadband optical frequency comb featuring 47 comb lines at a 25-GHz repetition rate, using a moderate RF driving power of 28 dBm (0.63 W). Leveraging the excellent tunability in repetition rate and operation wavelength, our power-efficient EO comb generator could serve as a compact low-cost solution for future high-speed data transmission, sensing and spectroscopy, as well as classical and quantum optical computation systems.

研究动机与目标

• 解决集成平台中非谐振电光频率梳发生器的高电功率需求问题。
• 在不依赖高Q微谐振器的前提下，提升集成钽酸锂调制器的相位调制效率。
• 为光学通信和传感等实际应用，实现低功耗、宽带、可调谐的频率梳。
• 展示一种可扩展的晶圆级制造方法，用于高性能集成电光器件。

提出的方法

• 通过多个低损耗TE0/TE1模式复用器和波导交叉结构，使光信号在相同电光调制电极中往返四次。
• 四次往返累积的相位调制效应显著提升了有效调制指数，而无需增加射频驱动功率。
• 采用晶圆级步进光刻工艺进行器件制造，确保高良率和可扩展性。
• 该器件作为非谐振电光梳发生器工作，依赖周期极化钽酸锂波导中的相位调制。
• 设计充分利用了钽酸锂的高电光系数，并通过优化模式转换和光路布局最小化传输损耗。
• 通过25-GHz重复频率和28 dBm射频驱动信号对系统进行实验表征，生成宽带频率梳。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过光信号在电极中多次往返显著提升集成钽酸锂调制器的相位调制效率？
• RQ2 采用该方法的非谐振、低功耗电光梳发生器最多可产生多少条频率梳线？
• RQ3 在多通路配置中，电功率消耗如何随往返次数变化？
• RQ4 在此集成平台上，频率梳的重复频率和中心波长可调谐范围有多大？
• RQ5 该方法能否在保持低传输损耗的同时，实现亚瓦特射频功率下的宽带梳生成？

主要发现

• 该器件在25-GHz重复频率下生成了具有47条独立梳线的宽带光学频率梳。
• 系统仅使用28 dBm（0.63 W）射频驱动功率即实现该性能，与传统非谐振方法相比，电功率消耗降低了一个多数量级。
• 通过电极实现四次往返的光路显著提升了相位调制效率，实现了中等射频功率下的强调制。
• 该器件在重复频率和中心波长方面表现出优异的可调谐性，适用于多样化应用的灵活运行。
• 采用晶圆级步进光刻工艺，实现了复杂多通路波导结构的可扩展、高良率制造。
• 低损耗模式复用器和波导交叉结构在多次通过过程中保持了信号完整性，最小化插入损耗和串扰。