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システムは、広い動作帯域幅、強力な並列処理能力、低い伝送損失といった利点を持ち、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用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、ディスクリートデバイスに基づくマイクロ波光子システムには、大型化、重量増加、安定性の低下といった問題があり、宇宙や航空機プラットフォームにおけるマイクロ波光子技術の応用を著しく制限しています。そのため、マイクロ波光子技術の集積化は、軍事用電子情報システムにおける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最大限に発揮するための重要な支えとなっています。

現在、光通信分野における長年の開発を経て、SIベースのフォトニック集積技術とINPベースのフォトニック集積技術はますます成熟し、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は、これら2種類のフォトニック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い線形性と大きな動的特性とは相反します。また、例えば、熱光学効果、圧電効果、またはキャリア注入分散効果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、消費電力と発熱の問題があり、高速ビーム走査や大規模アレイのマイクロ波光子アプリケーションには対応できません。

ニオブ酸リチウムは、高速化において常に第一の選択肢であった。電気光学変調優れた線形電気光学効果のため、材料として利用されています。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できており、デバイスのサイズが非常に大きいため、集積マイクロ波フォトン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フォトン技術システムに統合する方法が、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フォトニック集積技術を初めて報告しました。この技術は、高集積、広い電気光学変調帯域幅、電気光学効果の高い線形性といった利点があるため、発表されるとすぐにフォトニック集積とマイクロ波フォトニクスの分野で学術界と産業界の注目を集めました。本稿では、マイクロ波フォトン応用の観点から、薄膜ニオブ酸リチウムに基づくフォトニック集積技術がマイクロ波フォトン技術の発展に及ぼす影響と意義について概説します。

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
近年、新しいタイプのニオブ酸リチウム材料が登場しました。それは、巨大なニオブ酸リチウム結晶から「イオンスライス」法によってニオブ酸リチウム薄膜を剥離し、シリカバッファ層を介してSiウェハに接合してLNOI（LiNbO3-On-Insulator）材料を形成するものです[5]。本稿ではこれを薄膜ニオブ酸リチウム材料と呼びます。最適化されたドライエッチングプロセスにより、薄膜ニオブ酸リチウム材料上に高さ100ナノメートルを超えるリッジ導波路をエッチングすることができ、形成された導波路の実効屈折率差は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（図1参照）。強く制限された導波路により、変調器を設計する際に光場とマイクロ波場を整合させやすくなります。したがって、より短い長さでより低い半波長電圧とより広い変調帯域幅を実現するのに有利です。

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解消されました。電極間隔を約5μmまで縮小でき、電界と光モード電界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、同じ半波長電圧で、従来の変調器と比較してデバイスの長さを大幅に短縮できます。同時に、図に示すように、進行波電極の幅、厚さ、間隔のパラメータを最適化することで、100GHzを超える超広帯域変調が可能になります。

図1 （a）計算されたモード分布、および（b）LN導波路の断面画像

図2 （a）LN変調器の導波路と電極構造、および（b）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において、主な比較パラメータは以下のとおりです。
（１）半波長電圧長積（vπ・L、V・cm）は、変調器の変調効率を測定するもので、値が小さいほど変調効率が高い。
（２）３ dB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す。
（３）変調領域における光挿入損失（dB）。表から、薄膜ニオブ酸リチウム変調器は変調帯域幅、半波長電圧、光補間損失などで明らかな利点があることがわかる。

集積光エレクトロニクスの基盤であるシリコンは、これまで開発が進み、プロセスも成熟しており、その小型化は能動/受動デバイスの大規模集積化に有利であり、その変調器は光通信の分野で広く深く研究されてきた。シリコンの電気光学変調機構は、主にキャリア枯渇、キャリア注入、キャリア蓄積である。その中でも、変調器の帯域幅は線形度キャリア枯渇機構で最適となるが、光場分布が枯渇領域の不均一性と重なるため、この効果により非線形二次歪みと三次相互変調歪み項が導入され、光に対するキャリアの吸収効果と相まって、光変調振幅の減少と信号歪みにつながる。

InP変調器は優れた電気光学効果を持ち、多層量子井戸構造により、Vπ·Lが最大0.156V·mmの超高速かつ低駆動電圧変調器を実現できます。ただし、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、電界強度の増加により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pn接合を形成するためにバイアスを印加する必要があり、pn接合は光に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かつ短距離の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、損失も低いため、長距離コヒーレントに適しています。光通信大容量かつ高速な動作が求められるマイクロ波光子アプリケーションにおいて、SiとInPの電気光学係数は非線形であり、高い線形性と大きなダイナミクスが求められるマイクロ波光子システムには適していません。一方、ニオブ酸リチウム材料は、電気光学変調係数が完全に線形であるため、マイクロ波光子アプリケーションに非常に適しています。