[论文解读] Lithium Niobate Michelson Interferometer Modulator on Silicon-On-Insulator Platform

Mengyue Xu, Wenjun Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 23被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种基于绝缘体上硅（SOI）平台的硅-铌酸锂混合马赫-曾德尔干涉仪调制器，通过将高对比度铌酸锂波导与低损耗硅电路集成，实现了更高的调制效率。该器件展示了1.2 V·cm的记录调制效率、3.3 dB的插入损耗以及17.5 GHz的3-dB带宽，支持32和40 Gbit/s的高速运行，动态消光比分别为8 dB和6.6 dB。

ABSTRACT

We propose and demonstrate a hybrid silicon and lithium niobate Michelson Interferometer Modulator (MIM) with enhanced modulation efficiency compared to a Mach-Zehnder modulator. The modulator is based on seamless integration of a high-contrast waveguide based on lithium niobate-a popular modulator material-with compact, low-loss silicon circuitry. The present device demonstrates a modulation efficiency as high as 1.2 Vcm and a low insertion loss of 3.3 dB. The 3dB electro-optic bandwidth is approximately 17.5 GHz. The optical eye diagrams, operating at 32 Gbit/s and 40 Gbit/s, with measured dynamic extinction ratios at 8 dB and 6.6 dB respectively. The present device avoids absorption loss and nonlinearity in conventional silicon modulators and demonstrates highest modulation efficiency in LN modulators, showing potential in future optical interconnects.

研究动机与目标

• 为克服传统硅马赫-曾德尔调制器存在的高传播损耗和非线性问题。
• 利用铌酸锂优异的电光特性，实现高效光学调制。
• 在绝缘体上硅平台上实现高对比度铌酸锂波导与低损耗硅光子电路的无缝集成。
• 展示一种紧凑、高性能的调制器，适用于未来具有更高效率和带宽的光互连应用。

提出的方法

• 调制器采用马赫-曾德尔干涉仪架构，以铌酸锂波导作为相位调制器，利用其强皮克尔斯效应实现高效的电光调制。
• 通过离子刻蚀和退火工艺制备高对比度铌酸锂波导，以实现强光场限制和低传播损耗。
• 使用硅波导作为干涉仪臂和耦合结构，确保低传播损耗并兼容CMOS制造工艺。
• 通过精确对准和键合技术将铌酸锂与硅部件集成，实现光学与电学接口的无缝连接。
• 在铌酸锂部分施加电信号以引入相位调制，通过干涉调制输出光强。
• 通过将相位调制功能转移至铌酸锂，减少了纯硅调制器中固有的吸收损耗和非线性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于绝缘体上硅平台的硅-铌酸锂混合马赫-曾德尔干涉仪调制器是否能实现比传统马赫-曾德尔调制器更高的调制效率？
• RQ2 将高对比度铌酸锂波导与低损耗硅电路集成后，对插入损耗和带宽有何影响？
• RQ3 在兼顾紧凑性和低损耗的前提下，基于铌酸锂的调制器可实现的最大调制效率是多少？
• RQ4 该器件能否在32 Gbit/s和40 Gbit/s等高速率下，以足够高的消光比支持实际光互连应用？
• RQ5 由于铌酸锂部分不存在吸收损耗和非线性效应，其性能是否优于全硅调制器？

主要发现

• 该调制器实现了1.2 V·cm的调制效率，为目前报道的基于铌酸锂的调制器中最高值。
• 器件表现出3.3 dB的插入损耗，表明混合系统中传播损耗和耦合损耗较低。
• 3-dB电带宽达到17.5 GHz，支持适用于数据通信应用的高速运行。
• 在32 Gbit/s和40 Gbit/s速率下的光学眼图分别显示出8 dB和6.6 dB的动态消光比，证实了信号完整性。
• 该器件避免了纯硅调制器中常见的吸收损耗和非线性效应，从而提升了性能和线性度。
• 铌酸锂与硅部件的集成实现了紧凑、高性能的调制器，具备向可扩展光子集成电路发展的潜力。