Подавление высших мод в интегрально-оптическом фазовом модуляторе на основе тонкопленочного ниобата лития

Парфенов М.В., Тронев А.В., Агрузов П.М., Ильичев И.В., Варламов А.В., Усикова А.А., Задиранов Ю.М., Шамрай А.В.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Парфенов М.В., Тронев А.В., Агрузов П.М., Ильичев И.В., Варламов А.В., Усикова А.А., Задиранов Ю.М., Шамрай А.В. Подавление высших мод в интегрально-оптическом фазовом модуляторе на основе тонкопленочного ниобата лития // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 1. С. 80–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-80-90

Parfenov M.V., Tronev A.V., Agruzov P.M., Ilichev I.V., Varlamov A.V., Usikova A.A., Zadiranov Y.M., Shamrai A.V. High-order modes suppression in an integrated optical thin-film lithium niobate phase modulator [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 1. P. 80–90. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-01-80-90

Ссылка на англоязычную версию:

Mikhail V. Parfenov, Aleksandr V. Tronev, Petr M. Agruzov, Igor V. Ilichev, Andrei V. Varlamov, Anna A. Usikova, Yurii M. Zadiranov, and Aleksandr V. Shamrai, "High-order mode suppression in an integrated optical thin-film lithium niobate phase modulator," Journal of Optical Technology. 91(1), 48-54 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000048

Аннотация:

Предмет исследования. Дифференциальное модовое затухание и фильтрация фундаментальной моды в канальных оптических волноводах, полученных травлением тонкой пленки ниобата лития на буферном слое диоксида кремния. Цель работы. Разработка метода подавления высших мод в многомодовых канальных волноводах на основе тонкопленочного ниобата лития и определение топологии высокоэффективного интегрально-оптического фазового модулятора на основе тонкопленочного ниобата лития, изготавливаемого с использованием контактной фотолитографии. Метод. Численное моделирование и экспериментальное исследование оптических и электрооптических характеристик интегрально-оптического модулятора. Основные результаты. проанализировано влияние планарных электродов на дифференциальное затухание высших мод и определены условия квази-одномодового режима распространения оптического излучения в фазовом интегрально-оптическом модуляторе на основе канального волновода, изготовленного травлением тонкопленочного ниобата лития. Предложена топология интегрально-оптического фазового модулятора, для которой экспериментально продемонстрировано эффективное подавление высших мод и высокая эффективность электрооптической модуляции. Достигнутый параметр эффективности U_pL ≈ 4 В см в 4 раза меньше, чем у коммерчески доступных интегрально-оптических фазовых модуляторов на основе объемного ниобата лития. Практическая значимость. Предложены подходы к решению задачи быстрого и недорогого производства интегрально-оптических модуляторов на основе тонкопленочного ниобата лития с использованием массово доступной стандартной контактной фотолитографии, имеющей значительные ограничения по разрешению и точности совмещения.

Ключевые слова:

тонкопленочный ниобат лития, оптический волновод, моды оптических волноводов, интегральная оптика, электрооптический модулятор

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 19-19-00511.

Коды OCIS: 130.2790, 130.3730, 130.3120

Список источников:

1. Chen G., Li N., Ng J.D., et al. Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives // Advanced Photonics. 2022. V. 4. № 3. Р. 034003. https://doi.org/10.1117/1.AP.4.3.034003

2. Wooten E.L., Kissa K.M., Yi-Yan A., et al. A review of lithium niobate modulators for fiber-optic communications systems // IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 2000. V. 6. № 1. P. 69–82. https://doi.org/10.1109/2944.826874

3. Петров В.М., Агрузов П.М., Лебедев В.В., Ильичев И.В., Шамрай А.В. Широкополосные интегрально-оптические модуляторы: достижения и перспективы развития // УФН. 2021. Т. 191. № 7. С. 760–780. https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.11.038871

Petrov V.M., Agruzov P.M., Lebedev V.V., Il’ichev I.V., Shamray A.V. Broadband integrated optical modulators: Achievements and prospects // Phys. Usp. 2021. V. 64. № 7. P. 722–739. https://doi.org/10.3367/UFNe.2020.11.038871

4. Bazzan M., Sada C. Optical waveguides in lithium niobate: Recent developments and applications // Appl. Phys. Rev. 2015. V. 2. № 4. P. 040603. http://dx.doi.org/10.1063/1.4931601

5. Luke K., Kharel P., Reimer C., He L., Lončar M., Zhang M. Wafer-scale low-loss lithium niobate photonic integrated circuits // Opt. Exp. 2020. V. 28. P. 24452. https://doi.org/10.1109/IPC47351.2020.9252499

6. Xu M., Cai X. Advances in integrated ultra-wideband electro-optic modulators [Invited] // Opt. Exp. 2022. V. 30. № 5. P. 7253. https://doi.org/10.1364/OE.449022

7. Zhang M., Wang C., Kharel P., Zhu D., Lončar M. Integrated lithium niobate electro-optic modulators: When performance meets scalability // Optica. 2021. V. 8. № 5. P. 652. http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.415762

8. Guarino A., Poberaj G., Rezzonico D., Degl’Innocenti R., Günter P. Electro-optically tunable microring resonators in lithium niobate // Nat. Photonics. 2007. V. 1. № 7. P. 407. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2007.93

9. Krasnokutska I., Tambasco J.L., Peruzzo A. Tunable large free spectral range microring resonators in lithium niobate on insulator // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 11086. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47231-3

10. Escalé M.R., Pohl D., Sergeyev A., Grange R. Extreme electro-optic tuning of Bragg mirrors integrated in lithium niobate nanowaveguides // Opt. Lett. 2018. V. 43. № 7. P. 1515. https://doi.org/10.1364/OL.43.001515

11. Lu J., Al Sayem A., Gong Zh., et al. Ultralow-threshold thin-film lithium niobate optical parametric oscillator // Optica. 2021. V. 8. P. 539. https://doi.org/10.1364/OPTICA.418984

12. Li T., Wu K., Cai M., et al. A single-frequency single-resonator laser on erbium-doped lithium niobate on insulator // APL Photonics. 2021. V. 6. P. 101301. https://doi.org/10.1063/5.0061815

13. Luo R., He Y., Liang H., Li M., Lin Q. Highly tunable efficient second-harmonic generation in a lithium niobate nanophotonic waveguide // Optica. 2018. V. 5. P. 1006. https://doi.org/10.1364/OPTICA.5.001006

14. Zhao J., Ma C., Rüsing M., Mookherjea S. High quality entangled photon pair generation in periodically poled thin-film lithium niobate waveguides // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 124. № 16. P. 163603. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.163603

15. Li Y., Lan T., Yang D., Wang Z. Re-analysis of single-mode conditions for thin-film lithium niobate rib waveguides // Results in Phys. 2021. V. 30. P. 104824. http://dx.doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104824

16. Mercante A.J., Shi S., Yao P., Xie L., Weikle R.M., Prather D.W. Thin film lithium niobate electro-optic modulator with terahertz operating bandwidth // Opt. Exp. 2018. V. 26. P. 14810–14816. http://dx.doi.org/10.1364/OE.26.014810

17. Kim C.M., Ramaswamy R.V. Overlap integral factors in integrated optic modulators and switches // J. Lightwave Technol. 1989. V. 7. № 7. P. 1063. https://doi.org/10.1109/50.29633

18. Parfenov M., Tronev A., Ilichev I., Agruzov P., Shamrai A. Precise correction of integrated optical power splitters based on lithium niobate substrates by photorefractive effect local excitation // Appl. Phys. B. 2020. V. 126. № 5. P. 93. https://doi.org/10.1007/s00340-020-07440-5

19. Parfenov M., Agruzov P., Ilichev I., Bozhko S., Shamrai A. Design of hybrid waveguide structures for high-efficiency integrated optical superconducting single photon detectors on Ti:LiNbO₃ waveguides // IEEE Photonics J. 2021. V. 13. № 6. P. 6600107. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3120930

20. Johnson P.B., Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Phys. Rev. B. 1972. V. 6. P. 4370. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370

21. Кузнецов И.В., Перин А.С. Математическое моделирование 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

Kuznetsov I.V., Perin A.S. Mathematical modeling of the parameters of an electro-optic modulator in the Mach–Zehnder interferometer configuration based on thin lithium niobate films // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 2. P. 93–97. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000093

22. Salvestrini J.-P., Guilbert L., Fontana M., Abarkan M., Gille S. Analysis and control of DC drift in LiNbO₃-based Mach–Zehnder modulators // J. Lightwave Technol. 2011. V. 29. № 10. Р. 1522. https://doi.org/10.1109/JLT.2011.2136322

23. Zhu D., Shao L., Yu M., et al. Integrated photonics on thin-film lithium niobate // Adv. Opt. Photon. 2021. V. 13. P. 242–352. https://doi.org/10.1364/AOP.411024

24. Li Y., Lan T., Yang D., Bao J., Xiang M., Yang F., Wang Z. High-performance Mach–Zehnder modulator based on thin-film lithium niobate with low voltage-length product // ACS Omega. 2023. V. 8. № 10. P. 9644–9651. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c00310

25. Melloni A., Monguzzi P., Costa R., Martinelli M. Design of curved waveguides: The matched bend // JOSA A. 2003. V. 20. № 1. P. 130137. https://doi.org/10.1364/JOSAA.20.000130