[论文解读] Breaking voltage-bandwidth limits in integrated lithium niobate modulators using micro-structured electrodes

Prashanta Kharel, Christian Reimer+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 2被引用 34

一句话总结

论文展示在薄膜铌酸锂调制器上实现分段微结构行进波电极，显著降低射频损耗并在高带宽下实现亚伏驱动，包括在1 GHz时的1.3 V直流Vπ，在50 GHz时的1.6 V，且在50 GHz处的EO衰减为1.8 dB。

ABSTRACT

Electro-optic modulators with low voltage and large bandwidth are crucial for both analog and digital communications. Recently, thin-film lithium niobate modulators have enable dramatic performance improvements by reducing the required modulation voltage while maintaining high bandwidths. However, the reduced electrode gaps in such modulators leads to significantly higher microwave losses, which limit electro-optic performance at high frequencies. Here we overcome this limitation and achieve a record combination of low RF half-wave voltage of 1.3 V while maintaining electro-optic response with 1.8-dB roll-off at 50 GHz. This demonstration represents a significant improvement in voltage-bandwidth limit, one that is comparable to that achieved when switching from legacy bulk to thin-film lithium niobate modulators. Leveraging the low-loss electrode geometry, we show that sub-volt modulators with $>$ 100 GHz bandwidth can be enabled.

研究动机与目标

• 激励并实现用于模拟和数字通信的低电压、高带宽电电光调制。
• 克服薄膜LN调制器中的微波损耗极限，同时保持调制效率和速度。
• 表明分段与低介电常数基底能够将EO带宽推向>100 GHz，同时实现亚伏驱动。
• 将分段电极与常规设计进行比较并量化在损耗与带宽上的增益。

提出的方法

• 使用在石英基底上的行波薄膜LN调制器，以实现低射频损耗和速度匹配。
• 引入微结构（分段）电极，将电流从窄缝处引开以降低欧姆损耗。
• 用HFSS对电极设计进行仿真，比较Vπ·L、阻抗、射频损耗和估计的EO带宽。
• 制备LN-on-quartz器件，600 nm LN和800 nm Au电极，1 μm SiO2包覆，电极长度20–20 mm。
• 使用50 Ω VNA去嵌入测量表征射频损耗，并用1560 nm 光表征EO性能。
• 测量直流/1 GHz的Vπ和高达50 GHz的EO滚降，并与仿真及传统设计比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 分段微结构电极在薄膜LN上是否能在不牺牲调制效率的情况下降低射频损耗？
• RQ2 基底介电常数和电流聚集对速度匹配与EO带宽有何影响？
• RQ3 使用微结构电极，能将电压-带宽性能推到比现有薄膜LN调制器更远的程度？
• RQ4 实现>100 GHz EO带宽且亚伏驱动所面临的实际极限（损耗、速度失配）是什么？

主要发现

Electrode design (substrate)	Signal width (μm)	Gap (μm)	Vπ · L (V · cm)	Z (Ω)	RF loss (dB cm^-1 GHz^-1/2)	Est.3-dB EO bandwidth for Vπ,DC=1 V (GHz)
Regular (Si)	30	5	2.1	39	0.75	27
Regular (Si)	30	7	2.6	45	0.64	25
Regular (Si)	30	10	3.7	48	0.57	17
Regular (Q)	100	5	2.1	41	0.37	13*
Segmented (Q)	100	5	2.1	42	0.21	228

• 在LN-on-quartz上的分段（微结构）电极在10 mm器件上使50 GHz时的射频损耗从7 dB/cm降至2 dB/cm，显著降低。
• 测得射频相位指数为2.23，与仿真一致，并实现与LN光学群折射率(~2.2)良好的速度匹配。
• 直流Vπ为1.35 V（20 mm调制器）；50 GHz时同一器件的RF Vπ为1.6 V，在50 GHz处产生1.8 dB EO滚降。
• 10 mm分段器件在50 GHz相对于DC/1 GHz Vπ仅有0.8 dB滚降，测量中S11均小于-15 dB。
• 仿真和测量表明，分段设计对20 mm长度可实现约228 GHz的3 dB EO带宽估计，远超常规设计。
• 外推表明在低介电常数基底上，亚伏调制器具备>100 GHz带宽是可行的；20 mm长度的导体损耗受限带宽可能>180 GHz。