高集積薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器

高い直線性電気光学変調器マイクロ波光子応用
通信システムの要求が高まるにつれ、信号の伝送効率をさらに向上させるために、人々は光子と電子を融合させて相補的な利点を実現し、マイクロ波フォトニクスが誕生するだろう。電気を光に変換するには電気光学変調器が必要である。マイクロ波フォトニックシステムそして、この重要なステップが通常、システム全体のパフォーマンスを決定します。無線周波数信号を光領域に変換するのはアナログ信号処理であり、通常の電気光学変調器非線形性が内在しているため、変換プロセスにおいて深刻な信号歪みが生じる。近似的な線形変調を実現するために、変調器の動作点は通常、直交バイアス点に固定されるが、それでもマイクロ波光子リンクにおける変調器の線形性に関する要求を満たすことはできない。高線形性を有する電気光学変調器が緊急に必要とされている。

シリコン材料の高速屈折率変調は、通常、自由キャリアプラズマ分散（FCD）効果によって実現されます。FCD効果とPN接合変調はどちらも非線形であるため、シリコン変調器はニオブ酸リチウム変調器よりも線形性が低くなります。ニオブ酸リチウム材料は優れた特性を示します。電気光学変調パッカー効果による特性。同時に、ニオブ酸リチウム材料は、広帯域幅、優れた変調特性、低損失、容易な集積、半導体プロセスとの互換性といった利点があり、薄膜ニオブ酸リチウムを使用して高性能電気光学変調器を作ると、シリコンと比較して「ショートプレート」がほとんどなく、高い線形性も実現できます。絶縁体上の薄膜ニオブ酸リチウム（LNOI）電気光学変調器は、有望な開発方向となっています。薄膜ニオブ酸リチウム材料の製造技術と導波路エッチング技術の発展に伴い、薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器の高変換効率と高集積化は、国際的な学術界と産業界の分野となっています。

薄膜ニオブ酸リチウムの特性
米国DAP AR計画部門は、ニオブ酸リチウム材料について次のような評価を下している。電子革命の中心が、それを可能にしたシリコン材料にちなんで名付けられるとすれば、フォトニクス革命の発祥地はニオブ酸リチウムにちなんで名付けられる可能性が高い。なぜなら、ニオブ酸リチウムは、光学分野におけるシリコン材料と同様に、電気光学効果、音響光学効果、圧電効果、熱電効果、光屈折効果を一つに統合しているからである。

光伝送特性に関して言えば、InP材料は、一般的に使用される1550nm帯での光吸収により、チップ上での伝送損失が最も大きくなります。SiO2と窒化ケイ素は最高の伝送特性を持ち、損失は0.01dB/cm程度まで低減できます。現在、薄膜ニオブ酸リチウム導波路の損失は0.03dB/cm程度まで低減可能であり、今後技術レベルが継続的に向上すれば、さらに低減できる可能性があります。したがって、薄膜ニオブ酸リチウム材料は、光合成経路、シャント、マイクロリングなどの受動光構造において優れた性能を発揮します。

発光という点では、直接発光できるのはInPのみです。そのため、マイクロ波光子の応用においては、バックローディング溶接またはエピタキシャル成長によって、LNOIベースのフォトニック集積回路上にInPベースの光源を導入する必要があります。光変調という点では、薄膜ニオブ酸リチウム材料は、InPやSiよりも変調帯域幅が広く、半波長電圧が低く、透過損失が低いことが既に述べました。さらに、薄膜ニオブ酸リチウム材料の電気光学変調の高い線形性は、すべてのマイクロ波光子応用において不可欠です。

光ルーティングに関して言えば、薄膜ニオブ酸リチウム材料の高速電気光学応答により、LNOIベースの光スイッチは高速光ルーティングスイッチングが可能となり、このような高速スイッチングの消費電力も非常に低くなります。集積マイクロ波フォトン技術の典型的なアプリケーションでは、光制御ビームフォーミングチップは高速スイッチング能力を備え、高速ビームスキャンのニーズを満たし、超低消費電力の特性は大規模フェーズドアレイシステムの厳しい要件によく適合します。InPベースの光スイッチも高速光路スイッチングを実現できますが、大きなノイズが発生し、特にマルチレベル光スイッチがカスケード接続されている場合、ノイズ係数は著しく悪化します。シリコン、SiO2、窒化シリコン材料は、熱光学効果またはキャリア分散効果によってのみ光路を切り替えることができ、高消費電力と遅いスイッチング速度という欠点があります。フェーズドアレイのアレイサイズが大きい場合、消費電力の要件を満たすことができません。

光増幅の観点から言えば、半導体光増幅器 (SOAInP をベースとした ) は商用利用において成熟しているが、高雑音係数と低飽和出力電力という欠点があり、マイクロ波光子の応用には適していない。周期的な活性化と反転に基づく薄膜ニオブ酸リチウム導波路のパラメトリック増幅プロセスは、低雑音かつ高出力のオンチップ光増幅を実現でき、オンチップ光増幅のための集積マイクロ波光子技術の要求を十分に満たすことができる。

光検出に関しては、ニオブ酸リチウム薄膜は1550 nm帯の光に対して良好な透過特性を有しています。光電変換機能は実現できないため、マイクロ波光子アプリケーションでは、チップ上での光電変換のニーズを満たすために、バックロード溶接またはエピタキシャル成長により、LNOIベースのフォトニック集積回路にInGaAsまたはGe-Si検出ユニットを導入する必要があります。光ファイバーとの結合に関しては、光ファイバー自体がSiO2材料であるため、SiO2導波路のモードフィールドは光ファイバーのモードフィールドと最も高い一致度を持ち、結合が最も容易です。ニオブ酸リチウム薄膜の強く制限された導波路のモードフィールド径は約1μmであり、光ファイバーのモードフィールドとはかなり異なるため、光ファイバーのモードフィールドに一致させるために適切なモードスポット変換を行う必要があります。

集積化の観点から見ると、様々な材料が高い集積化ポテンシャルを持つかどうかは、主に導波路の曲げ半径（導波路モードフィールドの制限によって影響を受ける）に依存します。強く制限された導波路は曲げ半径を小さくすることができ、高集積化の実現に有利です。したがって、薄膜ニオブ酸リチウム導波路は高集積化を実現する可能性を秘めています。そのため、薄膜ニオブ酸リチウムの登場により、ニオブ酸リチウム材料が光学的な「シリコン」としての役割を果たすことが可能になりました。マイクロ波光子の応用においては、薄膜ニオブ酸リチウムの利点はより顕著です。