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画像: (a) 作製したアイソレータの光学顕微鏡画像。 (b) SiN を搭載した LNOI 導波路の断面図。 (c) 進行波電極と導波路の位置合わせ。 (d) 作製した SiN を搭載した LNOI 導波路の SEM 画像。もっと見る

クレジット: OES

Opto-Electronic Sc​​ience からの新しい出版物。 DOI 10.29026/oes.2023.220022 は、絶縁体上のニオブ酸リチウムの時空間アイソレータを考慮しています。

統合フォトニクスは、チップ上でますます幅広い機能をホストすることに向けて進歩しています。 例としては、情報処理と計算、光学センシングと測距アプリケーションが挙げられます。 これにより、フォトニックチップが真の自律型デバイスになるために必要な統合型レーザー光源の進歩が促進されました。 したがって、オンチップ絶縁は、動作に有害なフィードバックを抑制するためにも同様に重要になります。

非相反光学デバイスは、磁気バイアス、光学非線形性、時空間変調の 3 つの方法を使用して実現できます。 磁気バイアスは本質的に広帯域ですが、損失の多い磁気光学材料が必要です。 非線形非可逆デバイスは、特定の材料でモノリシックに実現可能ですが、その動作は入力電力に依存するため複雑になります。 逆に、時空間変調を利用するアイソレータには、そのような電力スケーリングの問題がなく、特にニオブ酸リチウムオンインシュレータ（LNOI）などの優れた電気光学特性を備えたプラットフォーム上に、容易にモノリシックに統合できます。

この貢献では、非相反動作は、2 つのカスケード接続された進行波移相器の時空間変調を使用することによって達成されます。 変調器と遅延線に適用されるマイクロ波信号は、前方伝播光に対する影響を確実に打ち消し、そのスペクトル特性が変化しないようにします。 ただし、逆方向に伝播する光パワーは側波帯にスペクトル的に分散され、リング共振器フィルタによって抑制されるため、27 dB の光分離が可能になります。

ニオブ酸リチウムは、その幅広いスペクトル透過性、高電力処理能力、強力な非線形および電気光学特性により、数十年にわたり、非線形光学および光ファイバー通信の主要材料であり続けました。 比較的最近、シリコン・オン・インシュレータ・フォトニクスの直接の類似物である薄膜ニオブ酸リチウム・オン・インシュレータ（LNOI）が出現したことにより、モード閉じ込めが厳しいニオブ酸リチウム導波路の作成が可能になり、同様にウエハスケールでの高密度集積が可能になりました。フォトニクス。 LNOI に関する最近の傑出した成果には、効率的な電気光学周波数コムや CMOS 電圧レベルで動作する変調器が含まれますが、LNOI フォトニクスの長期的な見通しは広範囲に及び、完全に統合された LiDAR、光ニューラル ネットワーク、RF 信号処理デバイスなどが含まれます。いくつか。 このような開発の重要な前提条件は、オンチップのコヒーレント光源をヘテロジニアスに統合する新たな技術であり、安定した動作のためには、回路の残りの部分からのフィードバックから分離する必要があります。 この問題に対処するために、RMIT大学のアーナン・ミッチェル教授の研究グループは、LNOI導波路プラットフォームに統合されたアイソレータを実現しました。

図1（a）の顕微鏡写真に示されている彼らのデバイスは、負荷LNOI導波路アプローチを使用して製造されました。このアプローチでは、光閉じ込めのための屈折率コントラストは、ニオブ酸リチウムをエッチングすることによってではなく、堆積された窒化シリコン層を処理することによって達成されます。 LNOIウェーハの上にあります。 アイソレータの設計は、2 つの同一の進行波位相変調器セクションが直列に接続され、ループ遅延線によって分離されるタンデム変調器アプローチに基づいています。 変調器は同じ高調波信号周波数で駆動されますが、位相がずれているため、光が前方に伝播する場合、2 つの変調器が互いに打ち消し合い、1550 nm の波長の搬送光は変化せずにデバイスから出射されます。 一方、逆方向伝播の場合、遅延線と変調信号位相オフセットによって設定されるこのバランスは無効であるため、両方の変調器の動作が累積的に発生し、搬送波エネルギーが複数の側波帯にスペクトル的に分散されます。 デバイスの入力は、搬送波周波数に一致するものの、変調によるスペクトル側波帯を除去するように設計されたレーストラック共振器を通じてフィルタリングされます。

光キャリアを前後方向に注入してデバイスをテストしたところ、デバイスの非相反動作が明らかになりました。 図 2 (a) の青い曲線は、同じ共振周波数を持つ光搬送波の通過を可能にするレーストラック共振器の透過スペクトルを示しています。 赤い曲線は、後方光が変調されたが、レーストラック共振器によってフィルタリングされなかった場合を示しています。 逆方向搬送波の元の周波数は抑制され、そのパワーは側波帯に伝達されました。 図 2 (b) は、後方光がレーストラック共振器によって変調され、フィルタリングされたことを示しています。これは、光がスペクトル的に強く分散され、リング フィルタを通過できずに方向転換されることを意味します。 図 2 (c) は、順方向伝播において、光パワーの大部分が搬送波内に閉じ込められたままであり、最小限のパワーのみが側波帯に伝達されることを示しています。 絶縁強度は、正転動作と逆転動作の間の電力伝達比を測定することによって定量化され、27 dB の絶縁が得られました。 この結果は、これまでのプラットフォームで達成された時空間変調ベースの分離率の中で最も高いものの 1 つです。 逆伝播光の抑制が実証されているため、このようなアイソレータは、絶縁体導波路プラットフォーム上の薄膜ニオブ酸リチウムにおける III-V レーザ ダイオードおよびエルビウム ドープ利得セクションとの統合に適しています。

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統合フォトニクスおよびアプリケーション センター (InPAC) は、2020 年にオーストラリアの RMIT 大学に設立され、著名なアーナン ミッチェル教授の指導の下、9 人の研究スタッフと 20 人の博士課程の学生を受け入れています。 彼らの目標は、シリコン、窒化ケイ素、ニオブ酸リチウムなどのさまざまなプラットフォームをカバーする、影響力のある統合フォトニック技術を生み出すことです。 このセンターには、フォトニック チップのシミュレーションと設計、製造、インターフェイス機能の開発と改良に努めるチームと、データ通信、生物医学的検出、防御および高精度センシングに取り組むアプリケーション指向のチームが集まります。

このセンターの主な焦点は、統合されたフォトニックデバイス作成ワークフロー全体を実行するための専門知識と社内機能を構築することです。 RMITのマイクロ・ナノ研究施設の2,500平方メートルのクリーンルームで利用可能な最先端の製造ツールを使用して、デバイス・プラットフォーム開発チームは、アプリケーション指向チームによって特定されたニーズに対処するためのカスタム・フォトニック・チップ用のモジュール式ビルディング・ブロックの考案に継続的に取り組んでいます。研究者、業界パートナー。 逆に、データ通信、生物医学検出、防衛および精密センシングのチームは、応用フォトニック集積回路研究とその現実世界への応用との間の架け橋として機能します。 このアプローチを通じて、InPAC は、研究者や小規模の専門産業を含む、より広範な世界中のコミュニティが統合フォトニクス技術をより容易に利用できるようにすることを目指しています。

InPAC Web サイト: https://www.rmit.edu.au/research/centres-collaborations/integrated-photonics-and-applications-centre#contact

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Opto-Electronic Sc​​ience (OES) は、中国科学院光電子研究所が Opto-Electronic Advances (OEA、IF=9.682) の姉妹誌として発行する、査読済みのオープンアクセスの学際的国際ジャーナルです。 OES は、学術交流を促進し、イノベーションを加速するための専門的なプラットフォームを提供することに専念しています。 OES は、光学およびオプトエレクトロニクスの基礎科学における根本的なブレークスルーに関する記事、レビュー、レターを発行します。

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Huang HJ、Balčytis A、Dubey A、Boes A、Nguyen TG 他絶縁体上のニオブ酸リチウムの時空間アイソレータ。 光電子科学2 、220022（2023）。 2: 10.29026/oes.2023.220022

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10.29026/oes.2023.220022

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