DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-02-68-77
УДК 535.212
Игорь Викторович Кузнецов1*, Антон Сергеевич Перин2
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
1kuznetsov.i.159@e.tusur.ru https://orcid.org/0000-0002-4226-0500
2anton.s.perin@tusur.ru https://orcid.org/0000-0002-9597-3088
Аннотация
Предмет исследования. Исследовался электрооптический модулятор в конфигурации интерферометра Маха–Цендера на основе гребенчатых волноводов из тонкой плёнки ниобата лития. Цель работы. Математическое моделирование характеристик электрооптического модулятора в конфигурации интерферометра Маха–Цендера на основе гребенчатых волноводов из тонкой плёнки ниобата лития. Метод. Посредством метода распространяющегося пучка на основе быстрого преобразования Фурье выполнено исследование зависимости величины оптических потерь, вносимых Y-делителем, от угла делителя. Основные результаты. Приводятся результаты математического моделирования исследования характеристик электрооптического модулятора в конфигурации интерферометра Маха–Цендера на базе тонких плёнок ниобата лития. Получена зависимость величины оптических потерь, вносимых Y-делителем, от угла разделения волноводов. Рассмотрены изображения интерференционных картин, возникающих в выходном волноводе. Проведено сравнение, показавшее большую эффективность предложенной конфигурации интерферометра по сравнению с имеющимися в литературе альтернативными решениями. Новизна результатов заключается в том, что исследуемая в работе конфигурация электрооптического модулятора предполагает его изготовление в виде интегральной оптической схемы на основе гребенчатых волноводов тонкоплёночного ниобата лития. Такое решение даст возможность уменьшить габариты конечного устройства и увеличить чувствительность в сравнении с существующими аналогами на основе объёмных электрооптических кристаллов. Также, благодаря использованию подложки из полупроводникового материала, имеется перспективная возможность интеграции электронной схемы в подложку, что сделает возможным реализацию сенсорной электронно-оптической системы на одном чипе. Практическая значимость. Предложенный в работе метод анализа интерференционных картин позволит получить информацию о величине приложенного к плечу интерферометра напряжения и выработать требования для дальнейшей его модернизации с целью увеличения точности измерений и разработки оптоэлектронных устройств на базе тонких плёнок ниобата лития, в том числе интегральных оптических сенсоров электрического поля.
Ключевые слова: интерферометр Маха–Цендера, электрооптических эффект, тонкие плёнки ниобата лития, гребенчатый волновод, электрооптический модулятор, сенсор электрического поля
Благодарность: работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FEWM-2022-0004 «Исследование и разработка способов изготовления интегральных оптических волноводов и элементов на их основе»).
Ссылка для цитирования: Кузнецов И.В., Перин А.С. Исследование характеристик электрооптического модулятора в конфигурации интерферометра Маха–Цендера на основе тонких плёнок ниобата лития // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 68–77. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2023-90-02-68-77
Коды OCIS: 230.2090, 310.0310, 230.4110, 130.0250.
Mathematical simulation of the characteristics of an electro-optical modulator in the configuration of a Mach–Zehnder interferometer based on thin films of lithium niobate
Igor V. Kuznetsov1*, Anton S. Perin2
Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
1kuznetsov.i.159@e.tusur.ru https://orcid.org/0000-0002-4226-0500
2anton.s.perin@tusur.ru https://orcid.org/0000-0002-9597-3088
Abstract
Subject of study. An electro-optical modulator in the configuration of a Mach–Zehnder interferometer based on ridge waveguides made of a thin film of lithium niobate was studied. Aim of study. Simulation of the characteristics of an electro-optical modulator in the configuration of a Mach–Zehnder interferometer based on ridge waveguides made of a thin film of lithium niobate. Method. By means of the beam propagation method based on the fast Fourier transform, a study was made of the dependence of the optical loss introduced by the Y-branch splitter on the angle of the splitter. Main results. The results of mathematical modeling of the study of the characteristics of an electro-optical modulator in the configuration of a Mach–Zehnder interferometer based on thin films of lithium niobate are presented. The dependence of the value of optical losses introduced by the Y-splitter on the separation angle of the waveguides is received. Images of interference patterns appearing in the output waveguide are obtained. A comparison has been made, which has shown the greater efficiency of the proposed configuration of the interferometer compared to the alternative solutions available in the literature. The novelty of the results lies in the fact that the configuration of the electro-optical modulator studied in this work assumes its fabrication in the form of an integrated optical circuit based on ridge waveguides of thin-film lithium niobate. Such a solution will make it possible to reduce the dimensions of the final device and increase the sensitivity in comparison with existing analogues based on bulk electro-optical crystals. Also, due to the use of a substrate made of a semiconductor material, there is a promising possibility of integrating an electronic circuit into a substrate, which will make it possible to implement an electron-optical system on a single chip. Practical significance. The method of analysis of interference patterns proposed in this work will provide information on the magnitude of the voltage applied to the arm of the interferometer and develop requirements for its further modernization in order to increase the accuracy of measurements and develop optoelectronic devices based on thin films of lithium niobate, including integrated optical sensors of the electric field.
Keywords: Mach–Zehnder interferometer, electro-optical effect, lithium niobate thin films, ridge waveguide, electro-optical modulator, electric field sensor
Acknowledgment: The work was carried out within the framework of the state task of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (topic no. FEWM-2022-0004 "Research and development of methods for manufacturing integrated optical waveguides and elements based on them").
For citation: Kuznetsov I.V., Perin A.S. Mathematical simulation of the characteristics of an electro-optical modulator in the configuration of a Mach–Zehnder interferometer based on thin films of lithium niobate [in Russian] //Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 2. P. 68–77. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-68-77
OCIS сodes: 230.2090, 310.0310, 230.4110, 130.0250.
Список источников
1. Jung H. An integrated photonic electric-field sensor utilizing a 1ґ2 YBB Mach–Zehnder interferometric modulator with a titanium-diffused lithium niobate waveguide and a dipole patch antenna // Crystals. 2019. V. 9. № 9. P. 459. https://doi.org/10.3390/cryst9090459
2. Dybov V.A., Serikov D.V., Ryzhkova G.S. Growth and substructure of lithium niobate films // Condensed media and interfaces. 2019. V. 21. № 1. P. 51–59. https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/716
3. Soham Saha, Siew Shawn Yohanes, Deng Jun, Aaron Danner, Mankei Tsang. Fabrication and characterization of optical devices on lithium niobate on insulator chips // Procedia Engineering. 2016. V. 140. P. 183–186. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.343
4. Wang Y., Chen Z., Hu H. Analysis of waveguides on lithium niobate thin films // Crystals. 2018. V. 8. № 5. P. 191. https://doi.org/10.3390/cryst8050191
5. Xiaobo Xie, Khurgin J., Kang J., Chow F. Linearized Mach–Zehnder intensity modulator // IEEE Photonics Technology Letters. 2003. V. 15. № 4. P. 531–533. https://doi.org/10.1109/LPT.2003.809323
6. Nikolajsen T., Leosson K., Bozhevolnyi S.I. Surface plasmon polariton based modulators and switches operating at telecom wavelengths // Applied Physics Letters. 2004. V. 85. № 24. P. 5833–5835. https://doi.org/10.1063/1.1835997
7. Petraru A., Schubert J., Schmid M., Trithaveesak O., Buchal Ch.. Integrated optical Mach–Zehnder modulator based on polycrystalline BaTiO3 // Optics letters. 2003. V. 28. № 24. P. 2527–2529. https://doi.org/10.1364/OL.28.002527
8. Ran Hao, Wei Du, Hongsheng Chen, Xiaofeng Jin, Longzhi Yang, Erping Li. Ultra-compact optical modulator by graphene induced electro-refraction effect // Applied Physics Letters. 2013. V. 103. № 6. P. 061116. https://doi.org/10.1063/1.4818457
9. Singh G., Yadav R. P., Janyani V. Ti indiffused lithium niobate (Ti: LiNbO3) Mach–Zehnder interferometer all optical switches: a review // New Advanced Technologies. 2010. https://doi.org/10.5772/9422
10. Wang, C., Zhang, M., Chen, X., Bertrand M., Shams-Ansari A., Sethumadhavan Ch, Winzer P., Lončar M. Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages // Nature. 2018. V. 562. № 7725. P. 101–104. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0551-y
11. Samra A., Yousif B.B. Beam propagation method based on fast Fourier transform and finite difference schemes and its application to optical diffraction grating. (Dept. E) // MEJ. Mansoura Engineering Journal. 2020. V. 31. № 1. P. 67–81. https://doi.org/10.21608/bfemu.2020.129254
12. Devi P., Maddila R.K. Modeling of lithium niobate based Mach–Zehnder modulator for visible light communication system with BER analysis // Optical and Quantum Electronics. 2021. V. 53. № 6. P. 1–15. https://doi.org/10.1007/s11082-021-02999-5
13. Singh G., Janyani V., Yadav R.P. Modeling of a 2ґ2 electro-optic Mach–Zehnder interferometer optical switch with s-bend arms // Photonics letters of Poland. 2011. V. 3. № 3. P. 119–121. https://doi.org/10.4302/plp.2011.3.10
14. Van Roey J., Van der Donk J., Lagasse P.E. Beam-propagation method: analysis and assessment // Josa. 1981. V. 71. № 7. P. 803–810. https://doi.org/10.1364/JOSA.71.000803
15. Кузнецов И.В., Алтухов В.А., Емельянов Д.В., Перин А.С. Исследование влияния угла Y-делителя на оптические потери при распространении света в гребенчатых волноводах на основе тонких плёнок ниобата лития // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР (Томск. 18–20 мая 2022 г.): в 3 ч. Томск: В-Спектр, 2022. Ч. 1. С. 145–148.
16. Smith D.S., Riccius H.D., Edwin R.P. Refractive indices of lithium niobate // Optics communications. 1976. V. 17. № 3. P. 332–335. https://doi.org/10.1016/0030-4018(76)90273-X
17. Turner E.H. High-frequency electro-optic coefficients of lithium niobate // Applied Physics Letters. 1966. V. 8. № 11. P. 303–304. https://doi.org/10.1063/1.1754449
18. Manoochehri O., Darvazehban A., Salari M.A., Khaledian S., Erricolo D., Smida B. A dual-polarized biconical antenna for direction finding applications from 2 to 18 GHz // Microwave and Optical Technology Letters. 2018. V. 60. № 6. P. 1552–1558. https://doi.org/10.1002/mop.31195
19. Weis R.S., Gaylord T.K. Lithium Niobate: Summary of physical properties and crystal structure // Applied Physics A. 1985. V. 37. № 4. P. 191–203. https://doi.org/10.1007/BF00614817
Referencences
1. Jung H. An integrated photonic electric-field sensor utilizing a 1ґ2 YBB Mach–Zehnder interferometric modulator with a titanium-diffused lithium niobate waveguide and a dipole patch antenna // Crystals. 2019. V. 9. № 9. P. 459. https://doi.org/10.3390/cryst9090459
2. Dybov V.A., Serikov D.V., Ryzhkova G.S. Growth and substructure of lithium niobate films // Condensed media and interfaces. 2019. V. 21. № 1. P. 51–59. https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/716
3. Soham Saha, Siew Shawn Yohanes, Deng Jun, Aaron Danner, Mankei Tsang. Fabrication and characterization of optical devices on lithium niobate on insulator chips // Procedia Engineering. 2016. V. 140. P. 183–186. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.07.343
4. Wang Y., Chen Z., Hu H. Analysis of waveguides on lithium niobate thin films // Crystals. 2018. V. 8. № 5. P. 191. https://doi.org/10.3390/cryst8050191
5. Xiaobo Xie, Khurgin J., Kang J., Chow F. Linearized Mach–Zehnder intensity modulator // IEEE Photonics Technology Letters. 2003. V. 15. № 4. P. 531–533. https://doi.org/10.1109/LPT.2003.809323
6. Nikolajsen T., Leosson K., Bozhevolnyi S.I. Surface plasmon polariton based modulators and switches operating at telecom wavelengths // Applied Physics Letters. 2004. V. 85. № 24. P. 5833–5835. https://doi.org/10.1063/1.1835997
7. Petraru A., Schubert J., Schmid M., Trithaveesak O., Buchal Ch.. Integrated optical Mach–Zehnder modulator based on polycrystalline BaTiO3 // Optics letters. 2003. V. 28. № 24. P. 2527–2529. https://doi.org/10.1364/OL.28.002527
8. Ran Hao, Wei Du, Hongsheng Chen, Xiaofeng Jin, Longzhi Yang, Erping Li. Ultra-compact optical modulator by graphene induced electro-refraction effect // Applied Physics Letters. 2013. V. 103. № 6. P. 061116. https://doi.org/10.1063/1.4818457
9. Singh G., Yadav R. P., Janyani V. Ti indiffused lithium niobate (Ti: LiNbO3) Mach–Zehnder interferometer all optical switches: a review // New Advanced Technologies. 2010. https://doi.org/10.5772/9422
10. Wang, C., Zhang, M., Chen, X., Bertrand M., Shams-Ansari A., Sethumadhavan Ch, Winzer P., Lončar M. Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages // Nature. 2018. V. 562. № 7725. P. 101–104. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0551-y
11. Samra A., Yousif B.B. Beam propagation method based on fast Fourier transform and finite difference schemes and its application to optical diffraction grating. (Dept. E) // MEJ. Mansoura Engineering Journal. 2020. V. 31. № 1. P. 67–81. https://doi.org/10.21608/bfemu.2020.129254
12. Devi P., Maddila R.K. Modeling of lithium niobate based Mach–Zehnder modulator for visible light communication system with BER analysis // Optical and Quantum Electronics. 2021. V. 53. № 6. P. 1–15. https://doi.org/10.1007/s11082-021-02999-5
13. Singh G., Janyani V., Yadav R.P. Modeling of a 2ґ2 electro-optic Mach–Zehnder interferometer optical switch with s-bend arms // Photonics letters of Poland. 2011. V. 3. № 3. P. 119–121. https://doi.org/10.4302/plp.2011.3.10
14. Van Roey J., Van der Donk J., Lagasse P.E. Beam-propagation method: analysis and assessment // Josa. 1981. V. 71. № 7. P. 803–810. https://doi.org/10.1364/JOSA.71.000803
15. Kuznetsov I.V., Altukhov V.A., Emelyanov D.V., Perin A.S. Investigation of the influence of an Y-splitter splitting angle on optical losses during light propagation in ridge waveguides based on thin films of lithium niobate // TUSUR scientific session selected articles (Tomsk. May 18–20, 2022): in 3 prt. Tomsk: B-Spectrum, 2022. Part 1. P. 145–148.
16. Smith D.S., Riccius H.D., Edwin R.P. Refractive indices of lithium niobate // Optics communications. 1976. V. 17. № 3. P. 332–335. https://doi.org/10.1016/0030-4018(76)90273-X
17. Turner E.H. High-frequency electro-optic coefficients of lithium niobate // Applied Physics Letters. 1966. V. 8. № 11. P. 303–304. https://doi.org/10.1063/1.1754449
18. Manoochehri O., Darvazehban A., Salari M.A., Khaledian S., Erricolo D., Smida B. A dual-polarized biconical antenna for direction finding applications from 2 to 18 GHz // Microwave and Optical Technology Letters. 2018. V. 60. № 6. P. 1552–1558. https://doi.org/10.1002/mop.31195
19. Weis R.S., Gaylord T.K. Lithium Niobate: Summary of physical properties and crystal structure // Applied Physics A. 1985. V. 37. № 4. P. 191–203. https://doi.org/10.1007/BF00614817
