薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器の構造と性能の概要

構造とパフォーマンスの紹介薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器
An 電気光学変調器薄膜ニオブ酸リチウムの異なる構造、波長、プラットフォームに基づいて、さまざまなタイプの包括的な性能比較EOM変調器研究と応用の分析も併せて薄膜ニオブ酸リチウム変調器他の分野でも。

1. 非共振空洞型薄膜ニオブ酸リチウム変調器
このタイプの変調器は、ニオブ酸リチウム結晶の優れた電気光学効果に基づいており、高速長距離光通信を実現するための重要なデバイスです。主な構造は3つあります。
1.1進行波電極MZI変調器：これは最も典型的な設計です。ハーバード大学のLončar研究グループは2018年に高性能バージョンを初めて実現し、その後、石英基板に基づく容量負荷（高帯域幅だがシリコンベースとは互換性がない）や、基板の空洞化に基づくシリコンベースとの互換性など改良が加えられ、高帯域幅（>67GHz）と高速信号（112Gbit/s PAM4など）の伝送を実現しました。
1.2折り畳み型MZI変調器：デバイスサイズを短縮し、QSFP-DDなどの小型モジュールに適合させるために、偏波処理、クロス導波路、または反転マイクロ構造電極を使用してデバイスの長さを半分に短縮し、60GHzの帯域幅を実現します。
1.3 シングル/デュアル偏波コヒーレント直交（IQ）変調器：高次変調方式を用いて伝送速度を向上させます。中山大学の蔡研究グループは2020年に世界初のオンチップシングル偏波IQ変調器を実現しました。今後開発されるデュアル偏波IQ変調器はより優れた性能を持ち、石英基板を用いたバージョンでは単一波長伝送速度1.96 Tbit/sの記録を樹立しています。

2. 共振空洞型薄膜ニオブ酸リチウム変調器
超狭帯域幅および広帯域幅の変調器を実現するために、様々な共振空洞構造が利用可能です。
2.1 フォトニック結晶（PC）とマイクロリング変調器：ロチェスター大学のLin研究グループは、初の高性能フォトニック結晶変調器を開発しました。さらに、シリコンリチウムニオブ酸塩の異種集積と均質集積に基づくマイクロリング変調器も提案されており、数GHzの帯域幅を実現しています。
2.2 ブラッグ格子共振器変調器：ファブリ・ペロー（FP）共振器、導波路ブラッグ格子（WBG）、スローライト（SL）変調器などが含まれます。これらの構造は、サイズ、プロセス許容誤差、および性能のバランスを取るように設計されており、例えば、2×2 FP共振器変調器は110GHzを超える超広帯域幅を実現します。結合ブラッグ格子に基づくスローライト変調器は、動作帯域幅範囲を拡大します。

3. 異種集積型薄膜ニオブ酸リチウム変調器
シリコンベースプラットフォームにおけるCMOS技術の互換性とニオブ酸リチウムの優れた変調性能を組み合わせるための主な集積方法は3つあります。
3.1 ボンド型異種集積：ベンゾシクロブテン（BCB）または二酸化ケイ素と直接ボンド結合することにより、ニオブ酸リチウム薄膜をシリコンまたは窒化シリコン基板上に転写し、ウェハレベルでの高温安定集積を実現します。この変調器は、70GHz以上（110GHzを超える場合もある）の広帯域幅と高速信号伝送能力を備えています。
3.2 堆積導波路材料の異種集積：負荷導波路として薄膜ニオブ酸リチウム上にシリコンまたは窒化シリコンを堆積させることで、効率的な電気光学変調も実現できます。
3.3 マイクロ転写印刷（μTP）による異種集積：これは、高精度装置を用いて予め作製された機能デバイスをターゲットチップに転写することで、複雑な後処理を回避し、大規模生産への応用が期待される技術です。窒化ケイ素およびシリコンベースのプラットフォームに適用され、数十GHzの帯域幅を実現しています。

要約すると、本稿では、薄膜ニオブ酸リチウムプラットフォームに基づく電気光学変調器の技術ロードマップを体系的に概説する。具体的には、高性能かつ広帯域幅の非共振空洞構造の追求、小型共振空洞構造の探索、そして成熟したシリコンベースのフォトニックプラットフォームとの統合といった段階を網羅的に解説する。そして、薄膜ニオブ酸リチウム変調器が、従来の変調器の性能上のボトルネックを打破し、高速光通信を実現する上で、計り知れない可能性と継続的な進歩を遂げていることを実証する。