[论文解读] High-efficiency electro-optic modulator on thin-film lithium niobate with high-permittivity cladding

Nuo Chen, Kangping Lou+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种基于高介电常数包层的薄膜铌酸锂高效率电光调制器，通过增强电场强度与光模式的重叠，实现了1.41 V·cm的记录最低半波电压-长度乘积、0.5 dB的附加损耗以及超过40 GHz的3 dB带宽，使紧凑型高性能光子集成电路成为可能。

ABSTRACT

Thin-film lithium niobate is a promising platform owing to its large electro-optic coefficients and low propagation loss. However, the large footprints of devices limit their application in large-scale integrated optical systems. A crucial challenge is how to maintain the performance advantage given the design space restrictions in this situation. This article proposes and demonstrates a high-efficiency lithium niobate electro-optic (EO) modulator with high-permittivity cladding to improve the electric field strength in waveguides and its overlap with optical fields while maintaining low optical loss and broad bandwidth. The proposed modulator exhibits considerable improvement, featuring a low half-wave voltage-length product of 1.41 Vcm, a low excess loss of 0.5 dB, and a broad 3 dB EO bandwidth of more than 40 GHz. This modulation efficiency is the highest reported for a broadband lithium niobate modulator so far. The design scheme of using high-permittivity cladding may provide a promising solution for improving the integration of photonic devices on the thin-film lithium niobate platform and these devices may serve as fundamental components in large-scale photonic integrated circuits in the future.

研究动机与目标

• 解决薄膜铌酸锂（TFLN）电光调制器器件尺寸过大的挑战，同时保持高性能。
• 在不增加传播损耗的前提下，增强TFLN波导中电场与光模式的重叠。
• 为大规模光子集成电路实现高带宽、低功耗和紧凑的电光调制。
• 探索高介电常数包层作为提升调制器效率的新型设计策略的可行性。

提出的方法

• 调制器采用在上下表面沉积高介电常数电介质包层的薄膜铌酸锂波导结构。
• 高介电常数包层增强了电场在波导芯层的限制，从而提升电光效应。
• 通过优化波导几何结构和材料质量，保持了低光学传播损耗。
• 器件采用标准半导体加工技术制造，包括电子束光刻和反应离子束蚀刻。
• 通过S参数测量和最高40 GHz的直接调制测试表征电光响应。
• 从测得的消光比和带宽中提取半波电压-长度乘积（VπL）。

实验结果

研究问题

• RQ1 高介电常数包层是否能显著增强薄膜铌酸锂波导中电场与光模式的重叠？
• RQ2 采用高介电常数包层是否能在不劣化光学损耗或带宽的前提下降低VπL？
• RQ3 采用此包层方法的紧凑型TFLN调制器可实现的最大电光带宽是多少？
• RQ4 与最先进的TFLN器件相比，该调制器在效率和损耗方面表现如何？

主要发现

• 调制器实现了1.41 V·cm的记录最低半波电压-长度乘积，表明其为迄今报道的宽带铌酸锂调制器中效率最高的。
• 器件仅表现出0.5 dB的附加损耗，证明其具有优异的光学传播性能。
• 3 dB电光带宽超过40 GHz，证实其具有适用于高速应用的宽工作带宽。
• 高介电常数包层有效增强了波导芯层中的电场强度，提高了电光相互作用效率。
• 该设计在显著改善VπL指标的同时保持了低光学损耗，实现了紧凑集成。