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重要性

マイクロ波光子技術広い動作帯域幅、強力な並列処理能力、低い伝送損失という利点があり、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、通信および測定などの軍用電子情報機器の性能を向上させる可能性があります。コントロール。しかし、個別のデバイスに基づくマイクロ波光子システムには、体積が大きい、重量が重い、安定性が低いなどの問題があり、宇宙搭載および航空機プラットフォームでのマイクロ波光子技術の適用が大幅に制限されます。したがって、統合マイクロ波光子技術は、軍事電子情報システムにおけるマイクロ波光子の応用を打ち破り、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援となりつつある。

現在、光通信分野ではSIベースのフォトニックインテグレーション技術とINPベースのフォトニックインテグレーション技術が長年の開発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関しては、これら 2 種類の光子統合技術にはいくつかの問題があります。たとえば、Si 変調器と InP 変調器の非線形電気光学係数は、マイクロ波が追求する高い線形性と大きな動的特性に反しています。フォトンテクノロジー。例えば、熱光学効果、圧電効果、キャリア注入分散効果などを利用して光路切り替えを実現するシリコン光スイッチは、高速化に対応できないスイッチング速度の遅さや消費電力、発熱の問題を抱えています。ビームスキャニングと大規模アレイスケールのマイクロ波光子アプリケーション。

ニオブ酸リチウムは常に高速化の第一選択です電気光学変調優れた線形電気光学効果による材料です。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、統合された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統合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る。2018年、米国のハーバード大学の研究チームが、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Nature誌に報告した。この技術には、高集積、広い電気光学変調帯域幅、電気光学変調の高い直線性という利点があるためである。 -光学効果は、一度発売されるとすぐに、フォトニック集積およびマイクロ波フォトニクスの分野で学術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与える影響と重要性をレビューする。

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
最近 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が「イオンスライス」の方法によって塊状のニオブ酸リチウム結晶から剥離され、シリカバッファ層を備えた Si ウェハに接着され、は、LNOI (LiNbO3-On-Insulator) 材料 [5] を形成します。本論文では、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、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上に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（従来の導波路の屈折率差よりもはるかに高い）に達することができます。図 1 に示すように、0.02 のニオブ酸リチウム導波路を使用します。強く制限された導波路により、変調器の設計時に光の場とマイクロ波の場を一致させることが容易になります。したがって、より短い半波電圧とより大きな変調帯域幅をより短い長さで達成することは有益である。

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い駆動電圧のボトルネックが打破されました。電極間隔は約 5 μm まで縮小でき、電場と光モード場の重なりが大幅に増加し、vπ・L は 20 V・cm 以上から 2.8 V・cm 未満に減少します。したがって、同じ半波長電圧の下で、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、進行波電極の幅、厚さ、間隔のパラメータを最適化した後、図に示すように、変調器は100 GHzを超える超高変調帯域幅の能力を持つことができます。

図1 （a）計算されたモード分布と（b）LN導波路の断面イメージ

図2 （a）導波路と電極の構造と（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市販変調器、シリコンベースの変調器、リン化インジウム (InP) 変調器、その他の既存の高速電気光学変調器との比較では、比較の主なパラメータは次のとおりです。
(1) 半波長電圧長積 (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) 3 dB 変調帯域幅 (GHz)。高周波変調に対する変調器の応答を測定します。
(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、光補間損失などにおいて明らかな利点があることがわかります。

集積オプトエレクトロニクスの基礎としてのシリコンはこれまでに開発され、プロセスは成熟しており、その小型化はアクティブ/パッシブデバイスの大規模集積に役立ち、その変調器は光学分野で広く深く研究されています。コミュニケーション。シリコンの電気光学変調メカニズムは、主にキャリアの除去、キャリアの注入、およびキャリアの蓄積です。このうち、変調器の帯域幅は線形度のキャリア空乏化メカニズムにより最適化されていますが、光フィールド分布が空乏領域の不均一性と重なるため、この影響により非線形の2次歪みと3次相互変調歪みが導入されます。これは、光に対するキャリアの吸収効果と相まって、光変調振幅と信号歪みの低減につながります。

InP変調器は優れた電気光学効果を有しており、多層量子井戸構造によりVπ・Lが0.156V・mmまでの超高速・低駆動電圧変調器を実現できます。しかし、電場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、電場強度が増加すると二次効果が顕著になります。したがって、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接合により光の吸収損失が生じます。ただし、これら 2 つの変調器サイズは小さく、市販の InP 変調器サイズは LN 変調器の 1/4 です。変調効率が高く、データセンターなどの高密度・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に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に適しています。光通信大容量かつ高速。マイクロ波光子応用においては、Si や 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、電気光学変調係数が完全に線形であるため、マイクロ波光子の応用に非常に適しています。