薄膜ニオブ酸リチウム材料および薄膜ニオブ酸リチウム変調器

集積マイクロ波光子技術における薄膜ニオブ酸リチウムの利点と意義

マイクロ波光子技術マイクロ波光子技術は、広い動作帯域幅、強力な並列処理能力、低い伝送損失などの利点を有しており、従来のマイクロ波システムの技術的ボトルネックを打破し、レーダー、電子戦、通信、計測制御などの軍事電子情報機器の性能を向上させる可能性を秘めています。しかし、個別デバイスをベースとするマイクロ波光子システムは、体積が大きく、重量が重く、安定性が低いなどの問題があり、宇宙機や航空機搭載プラットフォームへのマイクロ波光子技術の応用に深刻な制限を与えています。そのため、統合型マイクロ波光子技術は、軍事電子情報システムへのマイクロ波光子の応用を打破し、マイクロ波光子技術の利点を十分に発揮するための重要なサポートになりつつあります。

現在、SIベースの光子集積技術とINPベースの光子集積技術は、光通信分野での長年の発展を経てますます成熟し、多くの製品が市場に投入されています。しかし、マイクロ波光子の応用において、これら2種類の光子集積技術にはいくつかの問題があります。例えば、Si変調器とInP変調器の非線形電気光学係数は、マイクロ波光子技術が追求する高線形性や大きな動的特性に反します。例えば、熱光学効果、圧電効果、キャリア注入分散効果のいずれに基づいて光路切り替えを実現するシリコン光スイッチは、切り替え速度が遅く、消費電力と発熱量が多いという問題があり、高速ビームスキャンや大規模アレイスケールのマイクロ波光子応用には対応できません。

ニオブ酸リチウムは常に高速の第一選択である電気光学変調優れた線形電気光学効果を持つ材料として注目されています。しかし、従来のニオブ酸リチウムは電気光学変調器は、巨大なニオブ酸リチウム結晶材料で作られており、デバイスサイズが非常に大きいため、集積マイクロ波光子技術のニーズを満たすことができません。線形電気光学係数を持つニオブ酸リチウム材料を集積マイクロ波光子技術システムにどのように統合するかが、関連研究者の目標となっています。 2018年、米国ハーバード大学の研究チームが、Nature誌で薄膜ニオブ酸リチウムに基づく光子集積技術を初めて報告しました。この技術は、高集積、大きな電気光学変調帯域幅、および電気光学効果の高い線形性の利点があるため、発売されるとすぐに、光子集積およびマイクロ波光子分野で学術的および産業界の注目を集めました。 本稿では、マイクロ波光子の応用の観点から、薄膜ニオブ酸リチウムに基づく光子集積技術がマイクロ波光子技術の発展に及ぼした影響と意義について検討します。

薄膜ニオブ酸リチウム材料および薄膜ニオブ酸リチウム変調器
ここ 2 年間で、新しいタイプのニオブ酸リチウム材料が登場しました。つまり、ニオブ酸リチウム膜を「イオン スライシング」法で巨大なニオブ酸リチウム結晶から剥離し、シリカ バッファ層を使用して Si ウェハに結合して LNOI (LiNbO3-On-Insulator) 材料 [5] を形成します。これを本稿では薄膜ニオブ酸リチウム材料と呼びます。図 1 に示すように、最適化されたドライ エッチング プロセスにより、高さ 100 ナノメートルを超えるリッジ導波路を薄膜ニオブ酸リチウム材料にエッチングでき、形成された導波路の有効屈折率差は 0.8 以上 (従来のニオブ酸リチウム導波路の屈折率差 0.02 をはるかに上回る) に達します。強く制限された導波路により、変調器の設計時に光場とマイクロ波場を一致させやすくなります。

低損失ニオブ酸リチウムサブミクロン導波路の登場により、従来のニオブ酸リチウム電気光学変調器の高駆動電圧というボトルネックが打破されました。電極間隔を約5μmまで狭めることができ、電界と光モードフィールドの重なりが大幅に増加し、vπ·Lは20V·cm以上から2.8V·cm未満に減少します。そのため、同じ半波長電圧下では、従来の変調器と比較してデバイス長を大幅に短縮できます。同時に、進行波電極の幅、厚さ、間隔などのパラメータを最適化した結果、図に示すように、100GHzを超える超高変調帯域幅を実現できます。

図1 （a）計算されたモード分布と（b）LN導波路の断面画像

図2 （a）導波管と電極構造、（b）LN変調器のコアプレート

薄膜ニオブ酸リチウム変調器と従来のニオブ酸リチウム商用変調器、シリコンベースの変調器、リン化インジウム (InP) 変調器、およびその他の既存の高速電気光学変調器との比較では、主な比較パラメータは次のとおりです。
（１）半波長電圧長さ積（vπ·L、V·cm）、変調器の変調効率を測定し、値が小さいほど変調効率が高くなります。
（２）３ｄＢ変調帯域幅（GHz）これは変調器の高周波変調に対する応答を測定するものである。
（3）変調領域における光挿入損失（dB）。表からわかるように、薄膜ニオブ酸リチウム変調器は、変調帯域幅、半波長電圧、光補間損失などにおいて明らかな利点がある。

集積光エレクトロニクスの礎石であるシリコンは、これまで開発が進められ、プロセスが成熟し、小型化が能動・受動デバイスの大規模集積化に寄与し、その変調器は光通信分野で広く深く研究されてきました。シリコンの電気光学変調機構は、主にキャリア空乏、キャリア注入、キャリア蓄積です。このうち、線形キャリア空乏機構は変調器の帯域幅を最適化しますが、光電場分布が空乏領域の不均一性と重なるため、この効果は非線形2次歪みと3次相互変調歪み項をもたらし、キャリアによる光吸収効果と相まって、光変調振幅と信号歪みの減少につながります。

InP変調器は優れた電気光学効果を有し、多層量子井戸構造により、Vπ·Lが最大0.156V·mmの超高速・低駆動電圧変調器を実現できます。しかし、電界による屈折率の変化には線形項と非線形項が含まれており、電界強度の増加に伴い二次効果が顕著になります。そのため、シリコンおよびInP電気光学変調器は動作時にバイアスを印加してpn接合を形成する必要があり、pn接合は光吸収損失をもたらします。しかし、これら2つの変調器のサイズは小さく、市販のInP変調器のサイズはLN変調器の1/4です。高い変調効率は、データセンターなどの高密度・短距離デジタル光伝送ネットワークに適しています。ニオブ酸リチウムの電気光学効果は光吸収機構がなく損失が低いため、長距離コヒーレント光伝送に適しています。光通信大容量かつ高レートです。マイクロ波光子応用において、SiおよびInPの電気光学係数は非線形であるため、高い線形性と大きなダイナミクスを追求するマイクロ波光子システムには適していません。ニオブ酸リチウム材料は、その電気光学変調係数が完全に線形であるため、マイクロ波光子応用に非常に適しています。