Efficient Mode Conversion at 1064 nm via Bilayer Inverse Taper on Thin-Film Lithium Niobate

Technische Samenvatting: Efficiënte Modusconversie bij 1064 nm via een Bilayer Inverse Taper op Thin-Film Lithium Niobate

Probleemstelling
Hoewel thin-film lithium niobate (TFLN) is opgekomen als een superieur platform voor hogesnelheidsmodulatoren en kwantumsensoren vanwege hun niet-lineaire eigenschappen en lage voortplantingsverliezen, blijft efficiënte koppeling van vezel naar chip een significante flessenhals, met name bij de golflengte van 1064 nm. Hoewel lage-verlieskoppeling is bereikt in de C-band (1550 nm) en andere bereiken zoals 1310 nm en het zichtbare spectrum, vormen de 1064 nm-regio unieke uitdagingen. De verminderde golflengte verandert de modale opsluiting, de mismatch tussen vezel en chip, en de adiabatische conversievoorwaarden, waardoor ontwerpen die geoptimaliseerd zijn voor 1550 nm ongeschikt zijn zonder heroptimalisatie. Bovendien is werken bij 1064 nm cruciaal voor RF-fotonische systemen en TFLN-modulatoren, omdat dit een directe reductie van de half-golfspanning ($V_\pi$) mogelijk maakt via de schaling van het Pockels-effect ($V_\pi \propto \lambda$). Desondanks hebben bestaande edge couplers bij deze golflengte relatief hoge insertieverliezen vertoond (bijv. ~3 dB per facet), wat een dedicated ontwerp en experimenteel onderzoek noodzakelijk maakt om hoog-efficiënte integratie mogelijk te maken.

Methodologie
De auteurs stellen een on-chip optische modusconverter voor, gebaseerd op een bilayer inverse taper structuur die specifiek is geoptimaliseerd voor 1064 nm.

• Ontwerpstrategie: In tegenstelling tot eenvoudige schaling van 1550 nm-ontwerpen, voerde het team golflengte-specifieke simulaties uit met een 2,5 $\mu$m mode field diameter (MFD) Gaussische vezelmodus. Ze maakten gebruik van een 300 nm dikke TFLN-golfgeleider met een etsdiepte van 150 nm. Het ontwerp kenmerkt zich door een bilayer taper waarbij de optische modus overgaat van een fundamentele vezelmodus naar een ridge-geëtste golfgeleider.
• Niet-lineair Taperprofiel: Om voortplantingsverlies te minimaliseren en een adiabatische transitie te garanderen, gebruikten de auteurs een niet-lineair taperprofiel voor de tweede laag, gedefinieerd door een machtswetvergelijking $y(x) = w_r + (w_l - w_r)(1 - x/L)^m$. Deze aanpak vertraagt de geometrische variatie in het eerste deel van de taper waar de modus zwak geconcentreerd is, waardoor niet-adiabatische koppeling wordt onderdrukt.
• Parameteroptimalisatie: Met behulp van Lumerical FDTD-simulaties heeft het team systematisch vier sleutelparameters geoptimaliseerd: de invoerbreedte ($w$), de taperlengte, de lengteverhouding van de tweede laag ($\gamma$), en de exponent ($m$). De optimale configuratie werd geïdentificeerd als een invoerbreedte van ~160 nm, een totale taperlengte van 300 $\mu$m, een tweede-laag lengteverhouding van 0,3 en een niet-lineaire exponent van $m=0,5$.
• Fabricage: De apparaten werden gefabriceerd op 300 nm TFLN-wafers. Het proces omvatte elektronenstraal lithografie (EBL) met HSQ-maskers om kenmerken zo klein als 30 nm bij de taperpunt te definiëren. Een twee-staps EBL-proces met kritische uitlijning (<40 nm) werd gebruikt voor de bilayer structuur. De apparaten werden gehuld in 1,5 $\mu$m SiO2 en gepolijst om de taper-invoerkant te exposeren.

Belangrijkste Resultaten

• Koppelverlies: De gefabriceerde apparaten vertoonden een koppelverlies van 1,9 dB per facet voor de TE-modus. Theoretische simulaties gaven aan dat met een ideale fabricage en een 2,5 $\mu$m MFD lensed vezel, het verlies gereduceerd kon worden tot 0,48 dB per facet.
• Bandbreedte: Het apparaat vertoonde een 1 dB bandbreedte die loopt van 1055–1085 nm, wat een stabiele prestatie bevestigt over een breed spectraal bereik rond de doelgolflengte.
• Uitlijningstolerantie: De polarisatieafhankelijke uitlijningstolerantie werd gemeten. Voor de TE-polarisatie was de laterale uitlijningstolerantie minder gevoelig dan de verticale. De verticale uitlijningstolerantie voor een 1 dB verlies was ongeveer 1,0 $\mu$m, terwijl de TM-polarisatietoestand een nauwere verticale tolerantie vertoonde van 0,7 \textell} 0,74 $\mu$m.
• Verliesanalyse: De discrepantie tussen het gesimuleerde (0,48 dB) en het gemeten (1,9 dB) verlies werd toegeschreven aan realistische fabricagevariaties, waaronder een reductie van 15 nm in invoerbreedte/hoogte, de aanwezigheid van de substraatstapel (SiO2/BOX/Si), en een gepolijst facet hoekafwijking van ongeveer 4,5°, die gezamenlijk bijdroegen aan het excessieve verlies.

Betekenis en Claims
Het artikel presenteert een hoog-efficiënte bilayer inverse taper coupler die specifiek is ontworpen en geoptimaliseerd voor 1064 nm op TFLN, waarmee de beperkingen van eerdere ontwerpen zoals de 3 dB verlies gerapporteerd door Zhang et al. [27] voor een 1064 nm coupler, worden aangepakt. De auteurs positioneren dit werk als een noodzakelijke stap om de ontwikkeling van RF-fotonische systemen en hoogwaardige TFLN-modulatoren mogelijk te maken die profiteren van de lagere $V_\pi$ die haalbaar is bij kortere golflengten.

Het gemeten verlies van 1,9 dB per facet wordt benadrukt als de laagste experimentele demonstratie van moduskoppeling bij 1064 nm met behulp van een bilayer taper structuur tot nu toe. De resultaten komen overeen met de geobserveerde trend in de literatuur waarbij koppelverlies verbetert met toenemende golflengte (bijv. 3 dB bij 775 nm, 3 dB bij 1064 nm in eerder werk, 1 dB bij 1310 nm, en 0,5 dB bij 1550 nm). De auteurs concluderen dat hoewel verdere verbeteringen in fabricagetoleranties en polijsthoeken vereist zijn om de kloof met de simulatie te dichten, het gedemonstreerde apparaat een haalbare, hoog-efficiënte oplossing biedt voor on-chip optische koppeling bij 1064 nm, wat de weg vrijmaakt voor toekomstige integratie van apparaten die in dit golflengtebereik opereren.