[论文解读] An integrated cryogenic optical modulator

Felix Eltes, Gerardo Villarreal Garcia+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于钛酸钡（BaTiO₃）的集成低温光调制器，利用皮克尔斯效应实现从室温到4 K的电光调制。其带宽达到创纪录的30 GHz，可实现20 Gbps的数据调制，能量效率比热调谐高出10⁹倍，从而为可扩展的量子计算和低温计算系统提供支持。

ABSTRACT

Integrated electrical and photonic circuits (PIC) operating at cryogenic temperatures are fundamental building blocks required to achieve scalable quantum computing, and cryogenic computing technologies. Optical interconnects offer better performance and thermal insulation than electrical wires and are imperative for true quantum communication. Silicon PICs have matured for room temperature applications but their cryogenic performance is limited by the absence of efficient low temperature electro-optic (EO) modulation. While detectors and lasers perform better at low temperature, cryogenic optical switching remains an unsolved challenge. Here we demonstrate EO switching and modulation from room temperature down to 4 K by using the Pockels effect in integrated barium titanate (BaTiO3)-based devices. We report the nonlinear optical (NLO) properties of BaTiO3 in a temperature range which has previously not been explored, showing an effective Pockels coefficient of 200 pm/V at 4 K. We demonstrate the largest EO bandwidth (30 GHz) of any cryogenic switch to date, ultra-low-power tuning which is 10^9 times more efficient than thermal tuning, and high-speed data modulation at 20 Gbps. Our results demonstrate a missing component for cryogenic PICs. It removes major roadblocks for the realisation of novel cryogenic-compatible systems in the field of quantum computing and supercomputing, and for interfacing those systems with the real world at room-temperature.

研究动机与目标

• 解决低温光子集成电路（PIC）中缺乏高效、集成化电光调制器的问题。
• 克服在低至4 K的温度下实现高速、低功耗光开关的挑战。
• 为可扩展的量子计算和低温超级计算系统提供实用的光互连方案。
• 证明钛酸钡（BaTiO₃）作为非线性光学材料在低温环境下的可行性。
• 通过高带宽、低损耗的光链路，为室温系统与低温量子处理器之间的接口提供解决方案。

提出的方法

• 利用集成钛酸钡（BaTiO₃）波导中的皮克尔斯效应实现电压控制的相位调制。
• 设计并制造了配备TiN电极的全集成光子电路，以实现高效的电光调谐。
• 采用低温测试装置测量从300 K到4 K的光学响应。
• 测量了不同温度下的有效皮克尔斯系数，发现在4 K时其值为200 pm/V。
• 通过高频电信号和光信号分析，表征了调制带宽，最高达30 GHz。
• 通过与传统热调谐方法的对比，评估了功耗效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 钛酸钡（BaTiO₃）是否能在低温环境（低至4 K）下实现高效的电光调制？
• RQ2 基于皮克尔斯效应的集成低温光调制器可实现的带宽和能量效率是多少？
• RQ3 在低温范围内，BaTiO₃的有效皮克尔斯系数如何随温度变化？
• RQ4 该调制器能否实现足以满足量子计算互连需求的数据速率，如20 Gbps？
• RQ5 在低温环境中，电光调谐的能量效率与热调谐相比如何？

主要发现

• 在4 K时，BaTiO₃的有效皮克尔斯系数达到200 pm/V，表明其在低温下具有强烈的电光响应。
• 该器件在低温运行下实现了创纪录的30 GHz电光带宽，为迄今报道的最高值。
• 该调制器可实现20 Gbps的数据调制，适用于量子计算系统中的高速互连。
• 电光调谐的能量效率比热调谐高出10⁹倍，显著降低了功耗。
• 集成设计在从300 K到4 K的全温度范围内均保持高性能。
• 研究结果确立了BaTiO₃作为低温光子集成电路中可行且高性能材料的地位。