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の応用
通信システムの要件が高まるにつれ、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するでしょう。電気を光に変換するには、電気光変調器が必要です。マイクロ波光子システムこの重要なステップが、システム全体の性能を決定づけることが多い。無線周波数信号から光信号への変換はアナログ信号処理であり、通常は電気光学変調器電気光学変調器は固有の非線形性を持つため、変換プロセスにおいて深刻な信号歪みが生じます。近似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ますが、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、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電気光変調ニオブ酸リチウムは、そのパッカー効果による特性を備えています。同時に、ニオブ酸リチウム材料は、帯域幅が広く、変調特性が良好で、損失が低く、統合が容易で、半導体プロセスと互換性があるなどの利点があり、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成すると、シリコンと比較して「ショートプレート」がほとんどないだけでなく、高い直線性も実現できます。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達により、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ました。「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ならば、光子革命の発祥地も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」。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、光屈折効果を一つに統合しているからです。

光伝送特性において、InP材料は、一般的に使用される1550nm帯の光吸収により、オンチップ伝送損失が最も大きい。SiO2と窒化シリコンは最も優れた伝送特性を有し、損失は約0.01dB/cmレベルに達する。現在、薄膜ニオブ酸リチウム導波路の導波損失は0.03dB/cmレベルに達しており、今後の技術レベルの継続的な向上により、薄膜ニオブ酸リチウム導波路の損失はさらに低減される可能性がある。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パッシブ光構造において優れた性能を発揮すると考えられる。

光生成の観点から見ると、直接発光できるのはInPのみであるため、マイクロ波光子の応用には、バックロード溶接またはエピタキシャル成長によって、LNOIベースの光子集積チップにInPベースの光源を導入する必要がある。光変調の観点から見ると、薄膜ニオブ酸リチウム材料は、InPやSiよりも広い変調帯域幅、低い半波長電圧、低い伝送損失を実現しやすいことが既に強調されている。さらに、薄膜ニオブ酸リチウム材料の電気光学変調における高い直線性は、あらゆるマイクロ波光子応用にとって不可欠である。

光ルーティングの観点から見ると、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であり、このような高速スイッチングの消費電力も非常に低い。集積マイクロ波光子技術の典型的な応用において、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すとともに、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ている。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るが、大きなノイズが発生し、特に多段光スイッチをカスケード接続すると、ノイズ係数が著しく劣化する。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スイッチングできるため、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る。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ない。

光増幅に関しては、半導体光増幅器 (SOAInPベースの光導波路（LNT）は商用化が進んでいるものの、ノイズ係数が高く飽和出力が低いという欠点があり、マイクロ波光子の応用には適していません。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し、オンチップ光増幅における集積マイクロ波光子技術の要件を十分に満たします。

光検出の面では、薄膜ニオブ酸リチウムは1550nm帯の光に対して良好な透過特性を有する。光電変換機能は実現できないため、マイクロ波光子応用の場合、チップ上で光電変換のニーズを満たすためには、InGaAsまたはGe-Si検出ユニットをバックロード溶接またはエピタキシャル成長によってLNOIベースの光子集積チップに導入する必要がある。光ファイバとの結合の面では、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は光ファイバのモードフィールドと最も整合度が高く、結合が最も便利である。薄膜ニオブ酸リチウム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、光ファイバのモードフィールドとはかなり異なるため、光ファイバのモードフィールドと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る。

集積化の観点から見ると、各種材料が高い集積ポテンシャルを持つかどうかは、主に導波路の曲げ半径（導波モードフィールドの制限の影響を受ける）に依存します。強く制限された導波路はより小さな曲げ半径を許容し、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のポテンシャルを秘めています。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は真に光学的な「シリコン」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、薄膜ニオブ酸リチウムの利点はより顕著です。