[论文解读] GHz-rate optical phase shift in light matter interaction-engineered, silicon-ferroelectric nematic liquid crystals

Iman Taghavi, Omid Esmaeeli+11 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2024

Liquid Crystal Research AdvancementsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本论文提出了一种基于硅-铁电向列型液晶（Si-FN-LC）的无极化GHz速率电光相位调制器，通过采用指状加载、非开槽波导结构以增强光-物质相互作用。该器件实现了>4.18 GHz的电光带宽、0.25 V·mm的直流调制效率以及25.7 V·mm的交流效率，片上插入损耗≈4 dB，实现了无需复杂极化或制造步骤的CMOS兼容、高速硅光子集成。

ABSTRACT

Organic electro-optic materials have demonstrated promising performance in developing electro-optic phase shifters. Their integration with other silicon photonic processes, nanofabrication complexities, and durability remains to be developed. While the required poling step in electro-optic polymers limits their potential and utilization on a large scale, devices made of paraelectric nematic liquid crystals suffer from slow bandwidth. In ferroelectric nematic liquid crystals, we report an additional GHz-fast phase shift that ultimately allows for significant second-order nonlinear optical coefficients related to the Pockels effect. It avoids poling issues and can pave the way for hybrid silicon-organic systems with CMOS-foundry compatibility. We report DC and AC modulation efficiencies of $\approx$~0.25 V$\cdot$mm (from liquid crystal orientation) and $\approx$~25.7 V$\cdot$mm (from Pockels effect), respectively, an on-chip insertion loss of $\approx$~2.6 dB, and an electro-optic bandwidth of $f_ ext{-6dB}$>4.18 GHz, employing improved light-matter interaction in a waveguide architecture that calls for only one lithography step.

研究动机与目标

• 为克服传统硅光子学中电光相位调制器存在的高驱动电压、低带宽和高静态功耗等局限性。
• 消除有机电光（OEO）聚合物中所需的电热极化，该过程阻碍了大规模集成与CMOS兼容性。
• 通过一种新型无极化OEO材料平台，实现在硅光子集成电路上的高速、低损耗、可扩展的电光调制。
• 在光-物质相互作用工程化的波导中，展示一种实用、CMOS兼容且可扩展的解决方案，用于基于铁电向列型液晶（FN-LC）的高带宽光学相位调制。

提出的方法

• 作者开发了指状加载、非开槽波导结构以增强光-物质相互作用（LMI），提高有效电场与FN-LC材料的重叠积分（Γ）。
• 选用铁电向列型液晶（FN-LC）作为电光介质，因其具有大的二阶非线性极化率（χ(2)）和自发极化，可在无需极化的情况下实现Pockels效应。
• 对波导几何结构进行了优化，以增强光场限制并提高FN-LC区域内的电场（E_x），尤其通过减小电极间距并增强间隙中的电场集中。
• 在马赫-曾德尔调制器（MZMs）中采用推挽配置以实现高速运行，利用直流偏置设定正交点，射频信号差分输入实现调制。
• 器件采用标准硅光子工艺制造，FN-LC选择性地应用于EOPS部分，光输入/输出通过光栅耦合器（GC）和光子线波导（PWB）实现。
• 通过矢量网络分析仪（VNA）对器件进行表征，测量S21，提取-3 dB带宽，并确定有效电光系数（r33）和VπL产品随频率的变化。

Figure 1: 3D representation of the modulator selectively covered by FN-LC. a 80-nm-wide fingers are used to carry the RF signals and alignment field ( $\overrightarrow{E_{\text{align}}}$ ) to an area as close as $d_{\text{f-c}}=$ 100 nm away from the $W_{\text{c}}=$ 300 nm-wide core. This design opt

实验结果

研究问题

• RQ1 铁电向列型液晶（FN-LC）是否可在无需电热极化（如EO聚合物所需）的情况下实现GHz速率光学相位调制？
• RQ2 在指状加载、非开槽波导中的光-物质相互作用工程如何提升Si-FN-LC器件的电光效率与带宽？
• RQ3 在基于FN-LC的无极化、硅-有机异质平台中，可实现的电光带宽与调制效率是多少？
• RQ4 能否在单个硅光子芯片上实现FN-LC调制器的大规模集成，同时保持低插入损耗与CMOS兼容性？

主要发现

• 器件实现了超过4.18 GHz的电光带宽（f-6dB），证明了在无极化、硅-有机异质平台中实现GHz速率相位调制。
• 直流调制效率测量值为0.25 V·mm，交流效率达到25.7 V·mm，表明具有强电光响应与高效率。
• 片上插入损耗约为4 dB，对集成光子应用而言可接受，且与其它基于OEO的调制器相比具有竞争力。
• 光-物质相互作用工程化的指状加载波导设计提高了有效电场与重叠积分（Γ），使E_x提升约10倍，Γ值较传统非开槽波导提高约2倍。
• 成功演示了一款全封装芯片，包含超过100个基于FN-LC的马赫-曾德尔调制器，证实了其可扩展性与CMOS制造工艺的兼容性。
• FN-LC材料表现出大的二阶非线性极化率（χ(2)）与自发极化，可在无需极化的情况下实现Pockels效应，从而消除了EO聚合物集成中的主要制造瓶颈。

Figure 2: Waveguide design simulation results. a The mode evolution in each arm of the MZM demonstrated by a 10 $\upmu m$ -long adiabatic strip-to-finger mode converter (section I) coupled to a 3 $\upmu m$ -long portion of the 500 $\upmu m$ FNS waveguide (section II). Transverse electric optical fie