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およびマイクロ波光子の応用
通信システムへ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、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します。電気光学変調器は、電気を光に変換するために必要です。マイクロ波フォトニックシステム通常、この重要なステップがシステム全体のパフォーマンスを決定します。無線周波数信号の光領域への変換はアナログ信号処理であるため、通常の電気光学変調器固有の非線形性があるため、変換プロセスで重大な信号歪みが発生します。近似線形変調を実現するために、通常、変調器の動作点は直交バイアス点に固定されますが、それでも変調器の線形性に対するマイクロ波光子リンクの要件を満たすことはできません。高い線形性を備えた電気光学変調器が緊急に必要とされています。

シリコン材料の高速屈折率変調は、通常、フリー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 接合変調は両方と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性能を発揮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、シリコンと比較して、広い帯域幅、良好な変調特性、低損失、容易な統合および半導体プロセスとの適合性、高性能電気光学変調器の製造に薄膜ニオブ酸リチウムを使用するという利点を持っています。 「板ショート」がほとんどなく、高い直線性を実現します。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調製技術と導波路エッチング技術の発展により、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る。

薄膜ニオブ酸リチウムの特徴
米国の DAP AR 計画では、ニオブ酸リチウム材料について次のような評価が行われています。電子革命の中心がそれを可能にするシリコン材料にちなんで名付けられるのであれば、フォトニクス革命発祥の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です。 。これは、ニオブ酸リチウムが、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、フォトリフラクティブ効果を 1 つに統合しているためです。

光伝送特性の観点から見ると、InP材料は一般的に使用される1550nm帯域の光の吸収によるチップ上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備えており、損失は約 0.01dB/cm のレベルに達することがあります。現在、薄膜ニオブ酸リチウム導波路の導波路損失は0.03dB/cmのレベルに達することができ、薄膜ニオブ酸リチウム導波路の損失は、技術レベルの継続的な向上によりさらに低減される可能性があります。未来。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的光構造に対して優れた性能を示すことになります。

光の生成に関しては、InP だけが光を直接放出する能力を持っています。したがって、マイクロ波光子の応用には、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チップ上にInPベースの光源を導入する必要がある。光変調に関しては、薄膜ニオブ酸リチウム材料は、InP や Si よりも大きな変調帯域幅、より低い半波長電圧、より低い伝送損失を達成するのが容易であることを上で強調しました。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直線性は、すべてのマイクロ波光子の用途に不可欠です。

光ルーティングの点では、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になり、そ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。統合マイクロ波光子技術の典型的なアプリケーションでは、光学的に制御されるビームフォーミング チップは、高速ビーム走査のニーズを満たす高速スイッチング機能を備えており、超低消費電力の特性は大規模機器の厳しい要件によく適合します。 -スケールフェーズドアレイシステム。 InPベースの光スイッチも高速な光路切り替えを実現できますが、ノイズが大きくなり、特に多値光スイッチをカスケード接続した場合にはノイズ係数が著しく劣化します。シリコン、SiO2、および窒化ケイ素材料は、熱光学効果またはキャリア分散効果を通じてのみ光路を切り替えることができるため、消費電力が高く、スイッチング速度が遅い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と、消費電力の要件を満たすことができなくなります。

光増幅に関しては、半導体光増幅器 (SOA）ＩｎＰベースの光は商業利用に向けて成熟しているが、高い雑音係数と低い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、低ノイズかつ高出力のオンチップ光増幅を実現でき、オンチップ光増幅用の統合マイクロ波フォトン技術の要件を十分に満たすことができます。

光検出に関しては、薄膜ニオブ酸リチウムは 1550 nm 帯の光に対して良好な透過特性を持っています。光電変換の機能を実現できないため、マイクロ波光子アプリケーションでは、チップ上で光電変換のニーズに対応します。 InGaAs または Ge-Si 検出ユニットは、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チップに導入する必要があります。光ファイバとの結合に関しては、光ファイバ自体がSiO2材料であるため、SiO2導波路のモードフィールドと光ファイバのモードフィールドの整合度が最も高く、結合が最も便利です。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直径は約1μmであり、光ファイバーのモードフィールドとは大きく異なるため、光ファイバーのモードフィールドに合わせて適切なモードスポット変換を行う必要があります。

集積化に関しては、さまざまな材料が高い集積化の可能性を持っているかどうかは、主に導波路の曲げ半径（導波路モード場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により、曲げ半径を小さくすることができ、高集積化の実現にさらに役立ちます。したがって、薄膜ニオブ酸リチウム導波路は高集積化を達成する可能性を秘めています。したがって、薄膜ニオブ酸リチウムの出現により、ニオブ酸リチウム材料が実際に光学「シリコン」の役割を果たすことが可能になります。マイクロ波光子の応用では、薄膜ニオブ酸リチウムの利点がより明らかです。