薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器の研究進展

研究の進捗薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器

電気光学変調器は、光通信システムおよびマイクロ波光通信システムの中核デバイスです。印加電界によって物質の屈折率を変化させることで、自由空間または光導波路を伝搬する光を制御します。従来のニオブ酸リチウムは、電気光学変調器バルクニオブ酸リチウム材料を電気光学材料として用います。単結晶ニオブ酸リチウム材料は、チタン拡散法またはプロトン交換法によって局所的にドープされ、導波路を形成します。コア層とクラッド層の屈折率差は非常に小さく、導波路は光場への結合能力が低いです。パッケージ化された電気光学変調器の全長は通常5～10cmです。

絶縁体上ニオブ酸リチウム（LNOI）技術は、ニオブ酸リチウム電気光学変調器の大型化という問題を解決する効果的な方法を提供します。導波路コア層とクラッド層間の屈折率差は最大0.7であり、導波路の光モード結合能力と電気光学制御効果を大幅に向上させ、電気光学変調器分野における研究のホットスポットとなっています。

マイクロマシニング技術の進歩により、LNOIプラットフォームに基づく電気光学変調器の開発は急速に進展し、小型化と性能の継続的な向上が見られています。使用される導波路構造に応じて、代表的な薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器は、直接エッチング導波路電気光学変調器、ロードドハイブリッド型電気光学変調器、および光導波路型電気光学変調器です。導波管変調器およびハイブリッドシリコン集積導波路電気光学変調器。

現在、ドライエッチングプロセスの改良により、薄膜ニオブ酸リチウム導波路の損失が大幅に低減され、リッジローディング法によってエッチングプロセスの難しさの問題が解決され、半波長電圧1V未満のニオブ酸リチウム電気光学変調器が実現されています。成熟したSOI技術との組み合わせは、光子と電子のハイブリッド集積化のトレンドに適合しています。薄膜ニオブ酸リチウム技術は、低損失、小型、広帯域の集積電気光学変調器をチップ上で実現できるという利点があります。理論的には、3mmの薄膜ニオブ酸リチウムプッシュプルが、M⁃Z変調器3dB電気光学帯域幅は最大400GHzに達する可能性があり、実験的に作製された薄膜ニオブ酸リチウム変調器の帯域幅は100GHz強と報告されており、理論上の上限には依然として遠い。基本​​構造パラメータの最適化による改善は限定的である。今後は、標準的なコプレーナ導波路電極をセグメント化されたマイクロ波電極として設計するなど、新たな機構や構造を探求する観点から、変調器の性能をさらに向上させることができる可能性がある。

さらに、集積変調器チップのパッケージングと、レーザー、検出器、その他のデバイスとのオンチップ異種集積の実現は、薄膜ニオブ酸リチウム変調器の将来の発展にとって、チャンスであると同時に課題でもあります。薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器は、マイクロ波光子、光通信などの分野でより重要な役割を果たすでしょう。