薄膜ニオブ酸リチウム電気光学変調器の研究進捗状況

研究の進捗状況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フォトニックシステムのコアデバイスです。印加された電界によって材料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電気光学変調器電気光学材料としてバルク状のニオブ酸リチウム材料を使用する。単結晶ニオブ酸リチウム材料は、チタン拡散またはプロトン交換プロセスによって局所的にドーピングされ、導波路を形成する。コア層とクラッド層の屈折率差は非常に小さく、導波路は光場との結合能力が低い。パッケージ化された電気光学変調器の全長は通常5～10cmである。

絶縁体上のニオブ酸リチウム（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する。導波路コア層とクラッド層の屈折率差は最大0.7に達し、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るため、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る。

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、より小型化と性能の継続的な向上という傾向を示している。使用される導波路構造に応じて、典型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、負荷ハイブリッド型である。導波路変調器およびハイブリッドシリコン集積導波路型電気光学変調器。

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高エッチングプロセスの難しさの問題が解決され、半波長1V未満の電圧でニオブ酸リチウム電気光学変調器が実現され、成熟したSOI技術との組み合わせにより光子と電子のハイブリッド統合のトレンドに合致しています。薄膜ニオブ酸リチウム技術は、チップ上に低損失、小型、広帯域幅の集積電気光学変調器を実現するという利点があります。理論的には、3mm薄膜ニオブ酸リチウムプッシュプルM⁃Z変調器の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強と報告されているが、これは理論上の上限にはまだ遠く及ばない。基本的な構造パラメータを最適化することによって得られ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、新しいメカニズムや構造を探求することで、変調器の性能をさらに向上させることができるだろう。

さらに、集積型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的な発展にとって、機会であると同時に課題でもある。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ようになるだろう。