고집적 박막 리튬 니오베이트 전기광학 변조기

높은 선형성전기광학 변조기및 마이크로파 광자 응용
통신 시스템에 대한 요구가 증가함에 따라 신호 전송 효율을 더욱 향상시키기 위해 광자와 전자를 융합하여 상호 보완적인 장점을 얻을 수 있게 되었고, 이를 통해 마이크로파 광자학이 탄생하게 되었습니다. 전기를 빛으로 변환하는 데는 전기광학 변조기가 필요합니다.마이크로파 광자 시스템이 핵심 단계는 일반적으로 전체 시스템의 성능을 결정합니다. 무선 주파수 신호를 광 도메인으로 변환하는 것은 아날로그 신호 처리 과정이기 때문에 일반적인전기광학 변조기고유의 비선형성을 가지고 있어 변환 과정에서 심각한 신호 왜곡이 발생합니다. 근사 선형 변조를 달성하기 위해 변조기의 동작점은 일반적으로 직교 바이어스 지점에 고정되지만, 여전히 변조기의 선형성에 대한 마이크로파 광자 링크의 요구 사항을 충족하지 못합니다. 따라서 높은 선형성을 가진 전기 광학 변조기가 시급히 필요합니다.

실리콘 재료의 고속 굴절률 변조는 일반적으로 자유 캐리어 플라즈마 분산(FCD) 효과를 통해 달성됩니다. FCD 효과와 PN 접합 변조는 모두 비선형적이기 때문에 실리콘 변조기는 리튬 니오베이트 변조기보다 선형성이 떨어집니다. 리튬 니오베이트 재료는 우수한 특성을 나타냅니다.전기광학 변조퍼커 효과(Pucker effect)로 인한 특성을 지닙니다. 동시에, 리튬 니오베이트 재료는 넓은 대역폭, 우수한 변조 특성, 낮은 손실, 용이한 집적 및 반도체 공정과의 호환성이라는 장점을 가지고 있습니다. 박막 리튬 니오베이트를 사용하여 고성능 전기 광학 변조기를 제작할 수 있으며, 실리콘에 비해 "단판(short plate)"이 거의 없고 높은 선형성을 달성합니다. 절연체 기반 박막 리튬 니오베이트(LNOI) 전기 광학 변조기는 유망한 개발 방향으로 떠오르고 있습니다. 박막 리튬 니오베이트 재료 제조 기술과 도파로 에칭 기술의 발전으로 박막 리튬 니오베이트 전기 광학 변조기의 높은 변환 효율과 고집적도는 국제 학계와 산업계의 주요 연구 분야로 자리 잡았습니다.

박막 리튬 니오베이트의 특성
미국의 DAP AR 계획은 리튬 니오베이트 재료에 대해 다음과 같은 평가를 내렸습니다. 전자 혁명의 중심지가 이를 가능하게 하는 실리콘 재료의 이름을 따서 명명된다면, 광자 혁명의 발상지 또한 리튬 니오베이트의 이름을 따서 명명될 가능성이 높습니다. 이는 리튬 니오베이트가 광학 분야의 실리콘 재료처럼 전기광학 효과, 음향광학 효과, 압전 효과, 열전 효과, 그리고 광굴절 효과를 하나로 통합하기 때문입니다.

광 투과 특성 측면에서 InP 소재는 일반적으로 사용되는 1550nm 대역에서 광 흡수로 인해 칩 내 투과 손실이 가장 큽니다. SiO2와 질화규소는 가장 우수한 투과 특성을 보이며, 손실은 ~0.01dB/cm 수준에 도달할 수 있습니다. 현재 박막 리튬 니오베이트 도파로의 도파로 손실은 0.03dB/cm 수준에 도달할 수 있으며, 향후 기술 수준이 지속적으로 향상됨에 따라 박막 리튬 니오베이트 도파로의 손실은 더욱 감소될 가능성이 있습니다. 따라서 박막 리튬 니오베이트 소재는 광합성 경로, 션트, 마이크로링과 같은 수동 광 구조에 우수한 성능을 보일 것입니다.

광 생성 측면에서 InP만이 직접 빛을 방출할 수 있습니다. 따라서 마이크로파 광자를 응용하기 위해서는 LNOI 기반 광자 집적 칩에 InP 기반 광원을 백로딩 용접이나 에피택셜 성장 방식으로 도입해야 합니다. 광 변조 측면에서, 박막 리튬 니오베이트 재료는 InP 및 Si보다 더 넓은 변조 대역폭, 더 낮은 반파 전압, 그리고 더 낮은 전송 손실을 달성하기가 더 쉽다는 점이 앞서 강조되었습니다. 더욱이, 박막 리튬 니오베이트 재료의 높은 전기광학적 변조 선형성은 모든 마이크로파 광자 응용 분야에 필수적입니다.

광 라우팅 측면에서, 박막 리튬 니오베이트 재료의 고속 전기광학적 응답은 LNOI 기반 광 스위치를 고속 광 라우팅 스위칭이 가능하도록 하며, 이러한 고속 스위칭의 전력 소비 또한 매우 낮습니다. 집적 마이크로파 광자 기술의 전형적인 응용 분야에서, 광 제어 빔포밍 칩은 고속 스위칭 능력을 갖추고 있어 고속 빔 스캐닝 요구를 충족하며, 초저전력 소모 특성은 대규모 위상 배열 시스템의 엄격한 요구 사항에 잘 부합합니다. InP 기반 광 스위치도 고속 광 경로 스위칭을 구현할 수 있지만, 큰 잡음을 유발하며, 특히 다단계 광 스위치를 캐스케이드 방식으로 연결할 경우 잡음 계수가 심각하게 저하됩니다. 실리콘, SiO2, 질화규소 재료는 열광학 효과 또는 캐리어 분산 효과를 통해서만 광 경로를 스위칭할 수 있으며, 이는 높은 전력 소비와 느린 스위칭 속도라는 단점을 가지고 있습니다. 위상 배열의 어레이 크기가 커지면 전력 소비 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

광 증폭 측면에서,반도체 광 증폭기 (SOAInP 기반 )은 상업적으로 활용될 만큼 성숙되었지만, 높은 잡음 계수와 낮은 포화 출력 전력이라는 단점이 있어 마이크로파 광자 응용에 적합하지 않습니다. 주기적 활성화 및 반전을 기반으로 하는 박막 리튬 니오베이트 도파로의 매개변수 증폭 공정은 저잡음 및 고전력 온칩 광 증폭을 달성할 수 있으며, 이는 온칩 광 증폭을 위한 집적 마이크로파 광자 기술의 요건을 충족할 수 있습니다.

광 검출 측면에서 박막 리튬 니오베이트는 1550nm 대역에서 빛에 대한 우수한 투과 특성을 갖습니다. 광전 변환 기능은 실현될 수 없으므로 마이크로파 광자 응용 분야에서 칩의 광전 변환 요구를 충족하기 위해 InGaAs 또는 Ge-Si 검출 장치를 백로딩 용접 또는 에피택셜 성장을 통해 LNOI 기반 광자 집적 칩에 도입해야 합니다. 광섬유와의 결합 측면에서 광섬유 자체가 SiO2 재료이기 때문에 SiO2 도파로의 모드 필드가 광섬유의 모드 필드와 가장 높은 정합도를 가지며 결합이 가장 편리합니다. 박막 리튬 니오베이트의 강하게 구속된 도파로의 모드 필드 직경은 약 1μm로 광섬유의 모드 필드와 상당히 다르므로 광섬유의 모드 필드를 일치시키기 위해 적절한 모드 스팟 변환을 수행해야 합니다.

집적도 측면에서, 다양한 재료의 높은 집적도는 주로 도파관의 굽힘 반경(도파관 모드 필드의 제한에 영향을 받음)에 따라 달라집니다. 강하게 제한된 도파관은 더 작은 굽힘 반경을 허용하여 고집적도 구현에 더욱 유리합니다. 따라서 박막 리튬 니오베이트 도파관은 고집적도를 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 따라서 박막 리튬 니오베이트의 등장으로 리튬 니오베이트 재료가 광학적 "실리콘" 역할을 실제로 수행할 수 있게 되었습니다. 마이크로파 광자 응용 분야에서는 박막 리튬 니오베이트의 장점이 더욱 두드러집니다.