[论文解读] Integrated Electro-Optic Isolator on Thin Film Lithium Niobate

Mengjie Yu, Rebecca Cheng+10 more|Figshare|Dec 4, 2022

Magneto-Optical Properties and Applications被引用 5

一句话总结

本文提出了一种全集成的非互易电光（EO）隔离器，基于薄膜铌酸锂（TFLN）平台，采用单频微波驱动的行波结构，实现了48 dB的隔离度和仅0.5 dB的片上插入损耗。该器件在120 nm带宽（1510–1630 nm）内工作，RF功率低至21 dBm，展现出高性能特性，并与片上半导体激光器实现单片集成，适用于芯片级光子系统。

ABSTRACT

Optical isolator is an indispensable component of almost any optical system and is used to protect a laser from unwanted reflections for phase-stable coherent operation. The development of chip-scale optical systems, powered by semiconductor lasers integrated on the same chip, has resulted in a need for a fully integrated optical isolator. However, conventional approaches based on application of magneto-optic materials to break the reciprocity and provide required isolation have significant challenges in terms of material processing and insertion loss. As a result, many magnetic-free approaches have been explored, including acousto-optics, optical nonlinearity, and electro-optics. However, to date, the realization of an integrated isolator with low insertion loss, high isolation ratio, broad bandwidth, and low power consumption on a monolithic material platform is still absent. Here we realize non-reciprocal traveling-wave EO-based isolator on thin-film LN, enabling maximum optical isolation of 48 dB and an on-chip insertion loss of 0.5 dB using a single-frequency microwave drive at 21-dBm RF power. The isolation ratio is verified to be larger than 37 dB across a tunable optical wavelength range from 1510 to 1630 nm. We verify that our hybrid DFB laser - LN isolator module successfully protects the single-mode operation and the linewidth of the DFB laser from reflection. Our result is a significant step towards a practical high-performance optical isolator on chip.

研究动机与目标

• 开发一种与片上半导体激光器兼容的全集成、无磁性光学隔离器。
• 克服传统磁光隔离器在集成度、插入损耗和功耗方面的局限性。
• 在单片TFLN平台上实现高隔离度、低插入损耗、宽频带和低射频功耗。
• 展示与单纵模DFB激光器的实用兼容性，实现相位稳定运行。
• 实现可扩展的、集成光学控制的片上光子系统。

提出的方法

• 利用薄膜铌酸锂上的行波电光调制器打破光学互易性。
• 采用21 dBm单频微波驱动，通过皮克尔斯效应诱导动态双折射。
• 设计类似马赫-曾德尔干涉仪的结构，配备相位匹配电极以实现宽频带工作。
• 将EO隔离器与混合DFB激光器在同一大面积TFLN芯片上实现单片集成。
• 优化电极几何形状与射频阻抗匹配，以最小化插入损耗并最大化隔离度。
• 采用双驱动结构生成非互易相位移以实现隔离。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在薄膜铌酸锂平台上实现全集成、无磁性的光学隔离器，同时具备低插入损耗与高隔离度？
• RQ2 基于单频微波驱动的EO隔离器，其可实现的隔离带宽与功耗效率如何？
• RQ3 该隔离器能否有效保护单片集成的DFB激光器免受反向反射影响，同时保持其线宽与单模特性？
• RQ4 该EO隔离器在宽光学波长范围内性能如何扩展？
• RQ5 在行波TFLN基隔离器中，射频功率、隔离度与插入损耗之间的权衡关系如何？

主要发现

• 在21-dBm射频驱动下，器件实现了最大48 dB的光学隔离度，片上插入损耗仅为0.5 dB。
• 在1510至1630 nm的可调谐光学波长范围内，隔离比超过37 dB，证明了其宽频带工作能力。
• 混合DFB激光器–TFLN隔离器模块成功保护了激光器的单模工作特性，并在反射条件下维持了其线宽。
• 该隔离器通过行波微波驱动下由皮克尔斯效应诱导的非互易相位移实现，支持无磁性运行。
• 该系统为全单片集成，与片上集成兼容，支持可扩展的光子集成电路。
• 结果验证了在薄膜铌酸锂平台上实现高性能、低损耗、宽频带集成光学隔离器的可行性。