Abstract

An ideal photonic integrated circuit for nonlinear photonic applications requires high optical nonlinearities and low loss. This work demonstrates a heterogeneous platform by bonding lithium niobate (LN) thin films onto a silicon nitride (Si3N4) waveguide layer on silicon. It not only provides large second- and third-order nonlinear coefficients, but also shows low propagation loss in both the Si3N4 and the LN-Si3N4 waveguides. The tapers enable low-loss-mode transitions between these two waveguides. This platform is essential for various on-chip applications, e.g., modulators, frequency conversions, and quantum communications.

© 2017 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article
OSA Recommended Articles
Second-harmonic generation in periodically-poled thin film lithium niobate wafer-bonded on silicon

Ashutosh Rao, Marcin Malinowski, Amirmahdi Honardoost, Javed Rouf Talukder, Payam Rabiei, Peter Delfyett, and Sasan Fathpour
Opt. Express 24(26) 29941-29947 (2016)

Thin film wavelength converters for photonic integrated circuits

Lin Chang, Yifei Li, Nicolas Volet, Leiran Wang, Jon Peters, and John E. Bowers
Optica 3(5) 531-535 (2016)

Bonded thin film lithium niobate modulator on a silicon photonics platform exceeding 100 GHz 3-dB electrical modulation bandwidth

Peter O. Weigel, Jie Zhao, Kelvin Fang, Hasan Al-Rubaye, Douglas Trotter, Dana Hood, John Mudrick, Christina Dallo, Andrew T. Pomerene, Andrew L. Starbuck, Christopher T. DeRose, Anthony L. Lentine, Gabriel Rebeiz, and Shayan Mookherjea
Opt. Express 26(18) 23728-23739 (2018)

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3rd ed. (Academic, 2008).
  2. J. E. Toney, Lithium Niobate Photonics (Artech House, 2015).
  3. A. J. Mercante, P. Yao, S. Shi, G. Schneider, J. Murakowski, and D. W. Prather, Opt. Express 24, 15590 (2016).
    [Crossref]
  4. S. Jin, L. Xu, H. Zhang, and Y. Li, IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 736 (2016).
    [Crossref]
  5. R. Geiss, S. Saravi, A. Sergeyev, S. Diziain, F. Setzpfandt, F. Schrempel, R. Grange, E. B. Kley, A. Tünnermann, and T. Pertsch, Opt. Lett. 40, 2715 (2015).
    [Crossref]
  6. S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
    [Crossref]
  7. R. Wang and S. A. Bhave, Opt. Express 23, 23072 (2015).
    [Crossref]
  8. L. Chen, Q. Xu, M. G. Wood, and R. M. Reano, Optica 1, 112 (2014).
    [Crossref]
  9. P. Rabiei, J. Ma, S. Khan, J. Chiles, and S. Fathpour, Opt. Express 21, 25573 (2013).
    [Crossref]
  10. L. Chang, Y. Li, N. Volet, L. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, Optica 3, 531 (2016).
    [Crossref]
  11. M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
    [Crossref]
  12. P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
    [Crossref]
  13. P. Rabiei and P. Gunter, Appl. Phys. Lett. 85, 4603 (2004).
    [Crossref]
  14. J. Chiles and S. Fathpour, Optica 1, 350 (2014).
    [Crossref]
  15. K. R. Parameswaran, R. K. Route, J. R. Kurz, R. V. Roussev, M. M. Fejer, and M. Fujimura, Opt. Lett. 27, 179 (2002).
    [Crossref]
  16. S. Bloom, E. Korevaar, J. Schuster, and H. Willebrand, J. Opt. Netw. 2, 178 (2003).
  17. E. J. Stanton, A. Spott, M. L. Davenport, N. Volet, and J. E. Bowers, Opt. Lett. 41, 1785 (2016).
    [Crossref]
  18. P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
    [Crossref]
  19. D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 7, 597 (2013).
    [Crossref]
  20. M. H. P. Pfeiffer, A. Kordts, V. Brash, M. Zervas, M. Geiselmann, J. D. Jost, and T. J. Kippenberg, Optica 3, 20 (2016).
  21. L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).
  22. Photon Design, https://www.photond.com .

2016 (7)

A. J. Mercante, P. Yao, S. Shi, G. Schneider, J. Murakowski, and D. W. Prather, Opt. Express 24, 15590 (2016).
[Crossref]

S. Jin, L. Xu, H. Zhang, and Y. Li, IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 736 (2016).
[Crossref]

L. Chang, Y. Li, N. Volet, L. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, Optica 3, 531 (2016).
[Crossref]

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

E. J. Stanton, A. Spott, M. L. Davenport, N. Volet, and J. E. Bowers, Opt. Lett. 41, 1785 (2016).
[Crossref]

M. H. P. Pfeiffer, A. Kordts, V. Brash, M. Zervas, M. Geiselmann, J. D. Jost, and T. J. Kippenberg, Optica 3, 20 (2016).

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

2015 (2)

2014 (2)

2013 (4)

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 7, 597 (2013).
[Crossref]

P. Rabiei, J. Ma, S. Khan, J. Chiles, and S. Fathpour, Opt. Express 21, 25573 (2013).
[Crossref]

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

2006 (1)

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
[Crossref]

2004 (1)

P. Rabiei and P. Gunter, Appl. Phys. Lett. 85, 4603 (2004).
[Crossref]

2003 (1)

2002 (1)

Agarwal, A. M.

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

Bauters, J. F.

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Bhave, S. A.

Bloom, S.

Bowers, J. E.

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

E. J. Stanton, A. Spott, M. L. Davenport, N. Volet, and J. E. Bowers, Opt. Lett. 41, 1785 (2016).
[Crossref]

L. Chang, Y. Li, N. Volet, L. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, Optica 3, 531 (2016).
[Crossref]

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Boyd, R. W.

R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3rd ed. (Academic, 2008).

Brash, V.

Chang, L.

L. Chang, Y. Li, N. Volet, L. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, Optica 3, 531 (2016).
[Crossref]

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

Chen, L.

Chiles, J.

Davenport, M. L.

E. J. Stanton, A. Spott, M. L. Davenport, N. Volet, and J. E. Bowers, Opt. Lett. 41, 1785 (2016).
[Crossref]

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

DeRose, C. T.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Diziain, S.

Doylend, J. K.

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Fathpour, S.

Fejer, M. M.

Fujimura, M.

Gaeta, A. L.

D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 7, 597 (2013).
[Crossref]

Geiselmann, M.

Geiss, R.

Grange, R.

Gunter, P.

P. Rabiei and P. Gunter, Appl. Phys. Lett. 85, 4603 (2004).
[Crossref]

Guo, H.

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

Heck, M. J. R.

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Jain, S.

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Jin, S.

S. Jin, L. Xu, H. Zhang, and Y. Li, IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 736 (2016).
[Crossref]

Jost, J. D.

Kato, Y.

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
[Crossref]

Khan, S.

Kimerling, L. C.

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

Kippenberg, T. J.

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

M. H. P. Pfeiffer, A. Kordts, V. Brash, M. Zervas, M. Geiselmann, J. D. Jost, and T. J. Kippenberg, Optica 3, 20 (2016).

Kley, E. B.

Kordts, A.

Korevaar, E.

Kurczveil, G.

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Kurimura, S.

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
[Crossref]

Kurz, J. R.

Lentine, A. L.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Li, Y.

S. Jin, L. Xu, H. Zhang, and Y. Li, IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 736 (2016).
[Crossref]

L. Chang, Y. Li, N. Volet, L. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, Optica 3, 531 (2016).
[Crossref]

Lin, H. G.

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

Lin, P. T.

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

Lipson, M.

D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 7, 597 (2013).
[Crossref]

Ma, J.

Maruyama, M.

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
[Crossref]

Mercante, A. J.

Mookherjea, S.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Morandotti, R.

D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 7, 597 (2013).
[Crossref]

Moss, D. J.

D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 7, 597 (2013).
[Crossref]

Murakowski, J.

Nakajima, H.

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
[Crossref]

Parameswaran, K. R.

Pertsch, T.

Peters, J.

Pfeiffer, M. H. P.

M. H. P. Pfeiffer, A. Kordts, V. Brash, M. Zervas, M. Geiselmann, J. D. Jost, and T. J. Kippenberg, Optica 3, 20 (2016).

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

Pomerene, A. T.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Prather, D. W.

Rabiei, P.

Reano, R. M.

Roussev, R. V.

Route, R. K.

Saravi, S.

Savanier, M.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Schneider, G.

Schrempel, F.

Schuster, J.

Sergeyev, A.

Setzpfandt, F.

Shi, S.

Singh, V.

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

Spott, A.

Srinivasan, S.

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Stanton, E. J.

Starbuck, A. L.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Stenger, V.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Tang, Y.

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

Tiwald, T.

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

Toney, J. E.

J. E. Toney, Lithium Niobate Photonics (Artech House, 2015).

Tünnermann, A.

Usui, Y.

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
[Crossref]

Volet, N.

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

E. J. Stanton, A. Spott, M. L. Davenport, N. Volet, and J. E. Bowers, Opt. Lett. 41, 1785 (2016).
[Crossref]

L. Chang, Y. Li, N. Volet, L. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, Optica 3, 531 (2016).
[Crossref]

Wang, L.

L. Chang, Y. Li, N. Volet, L. Wang, J. Peters, and J. E. Bowers, Optica 3, 531 (2016).
[Crossref]

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

Wang, R.

Weigel, P. O.

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Willebrand, H.

Wood, M. G.

Xu, L.

S. Jin, L. Xu, H. Zhang, and Y. Li, IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 736 (2016).
[Crossref]

Xu, Q.

Yao, P.

Zervas, M.

M. H. P. Pfeiffer, A. Kordts, V. Brash, M. Zervas, M. Geiselmann, J. D. Jost, and T. J. Kippenberg, Optica 3, 20 (2016).

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

Zhang, H.

S. Jin, L. Xu, H. Zhang, and Y. Li, IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 736 (2016).
[Crossref]

Adv. Opt. Mater. (1)

P. T. Lin, V. Singh, H. G. Lin, T. Tiwald, L. C. Kimerling, and A. M. Agarwal, Adv. Opt. Mater. 1, 732 (2013).
[Crossref]

Appl. Phys. Lett. (2)

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, Appl. Phys. Lett. 89, 191123 (2006).
[Crossref]

P. Rabiei and P. Gunter, Appl. Phys. Lett. 85, 4603 (2004).
[Crossref]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. (1)

M. J. R. Heck, J. F. Bauters, M. L. Davenport, J. K. Doylend, S. Jain, G. Kurczveil, S. Srinivasan, Y. Tang, and J. E. Bowers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 19, 6100117 (2013).
[Crossref]

IEEE Photon. Technol. Lett. (1)

S. Jin, L. Xu, H. Zhang, and Y. Li, IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 736 (2016).
[Crossref]

J. Opt. Netw. (1)

Laser Photon. Rev. (1)

L. Wang, L. Chang, N. Volet, M. H. P. Pfeiffer, M. Zervas, H. Guo, T. J. Kippenberg, and J. E. Bowers, Laser Photon. Rev. 10, 631 (2016).

Nat. Photonics (1)

D. J. Moss, R. Morandotti, A. L. Gaeta, and M. Lipson, Nat. Photonics 7, 597 (2013).
[Crossref]

Opt. Express (3)

Opt. Lett. (3)

Optica (4)

Sci. Rep. (1)

P. O. Weigel, M. Savanier, C. T. DeRose, A. T. Pomerene, A. L. Starbuck, A. L. Lentine, V. Stenger, and S. Mookherjea, Sci. Rep. 6, 22301 (2016).
[Crossref]

Other (3)

R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3rd ed. (Academic, 2008).

J. E. Toney, Lithium Niobate Photonics (Artech House, 2015).

Photon Design, https://www.photond.com .

Cited By

OSA participates in Crossref's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1. Schematic structure of a tapered mode converter connecting the two types of waveguides. The top and bottom areas show schematics of the waveguide cross-sections and simulated profiles of the fundamental TE modes at 1540 nm. Inset is the simulated confinement factor in the LN layer for LN - Si 3 N 4 hybrid waveguides calculated as a function of the Si 3 N 4 rib width.
Fig. 2.
Fig. 2. Fabrication procedure for the LN - Si 3 N 4 platform.
Fig. 3.
Fig. 3. (a) SEM cross-section of the Si 3 N 4 waveguide. (b) Roughness testing results after SiO 2 deposition and repolishing. (c) Top view of integrated LN - Si 3 N 4 chip. (d) Bonded area after substrate and BOX layer removal.
Fig. 4.
Fig. 4. Spectra of total insertion loss for the reference waveguide (blue) and heterogeneous waveguide (red).

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

α ref = α SiN + α c ,
α test = α heter + 2 α AB + 2 α BC + α c ,
α heter = α SiN 2 α AB 2 α BC ( α ref α test ) .

Metrics