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Bild: (a) Lichtmikroskopisches Bild des hergestellten Isolators; (b) Querschnitt des SiN-beladenen LNOI-Wellenleiters; (c) Ausrichtung der Wanderwellenelektrode zum Wellenleiter; und (d) SEM-Bild des hergestellten SiN-beladenen LNOI-Wellenleiters.mehr sehen

Bildnachweis: OES

Eine neue Veröffentlichung von Opto-Electronic Science; DOI 10.29026/oes.2023.220022 betrachtet räumlich-zeitlichen Isolator in Lithiumniobat auf Isolator.

Die integrierte Photonik schreitet voran, um immer mehr Funktionalitäten auf einem Chip unterzubringen. Beispiele hierfür sind Informationsverarbeitung und -berechnung sowie optische Sensor- und Entfernungsmessungsanwendungen. Dies hat Fortschritte bei integrierten Laserlichtquellen vorangetrieben, die für photonische Chips erforderlich sind, um wirklich autonome Geräte zu werden. Daher wird die On-Chip-Isolierung ebenfalls wichtig, um Rückkopplungen zu unterdrücken, die sich nachteilig auf ihren Betrieb auswirken.

Nichtreziproke optische Geräte können mit drei Methoden realisiert werden: magnetische Vorspannung, optische Nichtlinearität und räumlich-zeitliche Modulation. Die magnetische Vorspannung ist von Natur aus breitbandig, erfordert jedoch verlustbehaftete magnetooptische Materialien. Nichtlineare, nichtreziproke Geräte sind in bestimmten Materialien monolithisch realisierbar, ihr Betrieb wird jedoch durch die Abhängigkeit von der Eingangsleistung erschwert. Im Gegensatz dazu haben Isolatoren, die räumlich-zeitliche Modulation nutzen, keine derartigen Leistungsskalierungsprobleme und können problemlos monolithisch integriert werden, insbesondere auf Plattformen mit hervorragenden elektrooptischen Eigenschaften, wie etwa Lithiumniobat auf Isolator (LNOI).

In diesem Beitrag wird der nichtreziproke Betrieb durch die räumlich-zeitliche Modulation zweier kaskadierter Wanderwellen-Phasenschieber erreicht. Das an die Modulatoren und die Verzögerungsleitung angelegte Mikrowellensignal sorgt dafür, dass sich ihre Wirkung auf das sich vorwärts ausbreitende Licht aufhebt, sodass seine spektrale Signatur unverändert bleibt. Allerdings wird die sich rückwärts ausbreitende optische Leistung spektral auf die Seitenbänder verteilt, die dann durch einen Ringresonatorfilter unterdrückt werden, was eine optische Isolierung von 27 dB ermöglicht.

Aufgrund seiner breiten spektralen Transparenz, seiner hohen Belastbarkeit und seiner starken nichtlinearen sowie elektrooptischen Eigenschaften blieb Lithiumniobat jahrzehntelang ein Grundmaterial in der nichtlinearen Optik und der Glasfaserkommunikation. Das relativ junge Aufkommen von Dünnschicht-Lithiumniobat-auf-Isolator (LNOI) als direktes Analogon der Silizium-auf-Isolator-Photonik hat die Schaffung von Lithiumniobat-Wellenleitern mit engen Modenbeschränkungen ermöglicht, die ebenfalls eine dichte Integration im Wafermaßstab ermöglichen Photonik. Zu den jüngsten herausragenden Errungenschaften bei LNOI gehören effiziente elektrooptische Frequenzkämme sowie Modulatoren, die auf CMOS-Spannungsebenen arbeiten. Die langfristigen Aussichten für die LNOI-Photonik sind jedoch umfangreich und umfassen unter anderem vollständig integrierte LiDAR, optische neuronale Netze oder HF-Signalverarbeitungsgeräte ein paar. Wichtige Voraussetzungen für solche Entwicklungen sind neue Techniken der heterogenen Integration kohärenter On-Chip-Lichtquellen, die für ihren stabilen Betrieb von Rückkopplungen vom Rest der Schaltung isoliert sein müssen. Um dieses Problem anzugehen, realisiert die Forschungsgruppe des angesehenen Professors Arnan Mitchell von der RMIT-Universität integrierte Isolatoren in der LNOI-Wellenleiterplattform.

Ihr Gerät, dargestellt in der Mikroaufnahme von Abbildung 1 (a), wurde unter Verwendung eines geladenen LNOI-Wellenleiteransatzes hergestellt, bei dem der Brechungsindexkontrast für die Lichteindämmung nicht durch Herausätzen von Lithiumniobat, sondern durch die Bearbeitung einer abgeschiedenen Siliziumnitridschicht erreicht wird oben auf dem LNOI-Wafer. Das Isolatordesign basiert auf einem Tandemmodulator-Ansatz, bei dem zwei identische Wanderwellen-Phasenmodulatorabschnitte in Reihe geschaltet und durch eine Schleifenverzögerungsleitung getrennt sind. Die Modulatoren werden mit der gleichen harmonischen Signalfrequenz betrieben, jedoch mit einer Phasenverschiebung, so dass bei der Vorwärtsausbreitung von Licht die beiden Modulatoren einander entgegenwirken und das Trägerlicht mit der Wellenlänge 1550 nm das Gerät unverändert verlässt. Andererseits gilt für die Rückwärtsausbreitung dieses Gleichgewicht, das durch die Verzögerungsleitung und den Phasenversatz des Modulationssignals eingestellt wird, nicht, weshalb die Wirkung beider Modulatoren kumulativ und spektral die Trägerenergie in mehrere Seitenbänder verteilt. Der Geräteeingang wird durch einen Racetrack-Resonator gefiltert, der an die Trägerfrequenz angepasst ist, aber so konzipiert ist, dass er jegliche modulationsinduzierten Spektralseitenbänder unterdrückt.

Das Testen des Geräts durch Einspritzen des optischen Trägers in Rückwärts- und Vorwärtsrichtung ergab, dass das Gerät nicht reziprok funktioniert. Die blaue Kurve in Abbildung 2 (a) zeigt das Transmissionsspektrum des Racetrack-Resonators, der optische Träger mit der gleichen Resonanzfrequenz passieren lässt. Die rote Kurve zeigt den Fall, bei dem rückwärtiges Licht moduliert wurde, jedoch nicht durch den Rennstreckenresonator gefiltert wurde. Die ursprüngliche Frequenz der Rückwärtsträger wurde unterdrückt und ihre Leistung auf Seitenbänder übertragen. Abbildung 2 (b) zeigt, dass das rückwärtige Licht durch einen Racetrack-Resonator moduliert und gefiltert wurde, was bedeutet, dass das Licht stark spektral gestreut wurde und umgelenkt wird, ohne den Ringfilter passieren zu können. Abbildung 2 (c) zeigt, dass bei der Vorwärtsausbreitung der größte Teil der optischen Leistung im Träger eingeschlossen bleibt und nur eine minimale Leistung auf die Seitenbänder übertragen wird. Die Isolationsstärke wurde durch Messung des Leistungsübertragungsverhältnisses zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb quantifiziert, was zu einer Isolation von 27 dB führte. Dieses Ergebnis gehört zu den höchsten Isolationsverhältnissen auf der Basis räumlich-zeitlicher Modulation, die bisher auf einer Plattform erzielt wurden. Durch die nachgewiesene Unterdrückung des sich rückwärts ausbreitenden Lichts eignen sich solche Isolatoren für die Integration mit III-V-Laserdioden und Erbium-dotierten Verstärkungsabschnitten in der Dünnschicht-Lithiumniobat-auf-Isolator-Wellenleiterplattform.

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Das Integrated Photonics and Applications Centre (InPAC) wurde 2020 an der RMIT University in Australien gegründet und beherbergt unter der Leitung des angesehenen Prof. Arnan Mitchell 9 Forschungsmitarbeiter und 20 Doktoranden. Ihr Ziel ist die Entwicklung wirkungsvoller integrierter photonischer Technologien, die eine Reihe von Plattformen abdecken, darunter Silizium, Siliziumnitrid und Lithiumniobat. Das Zentrum vereint Teams, die sich um die Entwicklung und Verfeinerung von Simulations- und Design-, Herstellungs- und Schnittstellenfunktionen für photonische Chips bemühen, sowie anwendungsorientierte Teams, die sich mit Datenkommunikation, biomedizinischer Erkennung sowie Verteidigung und Präzisionssensorik befassen.

Ein Hauptaugenmerk des Zentrums liegt auf dem Aufbau von Fachwissen und internen Fähigkeiten zur Durchführung des gesamten integrierten Workflows zur Erstellung photonischer Geräte. Mithilfe der hochmodernen Fertigungswerkzeuge, die im 2.500 Quadratmeter großen Reinraum der Micro Nano Research Facility des RMIT zur Verfügung stehen, arbeiten die Entwicklungsteams für Geräteplattformen kontinuierlich daran, modulare Bausteine ​​für kundenspezifische photonische Chips zu entwickeln, um den von anwendungsorientierten Teams ermittelten Anforderungen gerecht zu werden Forscher und Industriepartner. Umgekehrt dienen Teams für Datenkommunikation, biomedizinische Erkennung sowie Verteidigung und Präzisionssensorik als Brücke zwischen der angewandten Forschung zu photonischen integrierten Schaltkreisen und ihrer Umsetzung in reale Anwendungen. Durch diesen Ansatz möchte InPAC integrierte Photoniktechnologien einer breiteren weltweiten Gemeinschaft, einschließlich Forschern und kleinen, spezialisierten Industrien, leichter zugänglich machen.

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

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Opto-Electronic Science (OES) ist eine peer-reviewte, frei zugängliche, interdisziplinäre und internationale Zeitschrift, die vom Institut für Optik und Elektronik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften als Schwesterzeitschrift von Opto-Electronic Advances (OEA, IF=9.682) herausgegeben wird. OES hat sich zum Ziel gesetzt, eine professionelle Plattform zur Förderung des akademischen Austauschs und zur Beschleunigung von Innovationen bereitzustellen. OES veröffentlicht Artikel, Rezensionen und Briefe über die grundlegenden Durchbrüche in der Grundlagenwissenschaft der Optik und Optoelektronik.

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Huang HJ, Balčytis A, Dubey A, Boes A, Nguyen TG et al. Räumlich-zeitlicher Isolator aus Lithiumniobat auf einem Isolator. Optoelektronenwissenschaft2 , 220022 (2023). zwei: 10.29026/oes.2023.220022

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