고집적 박막 리튬 니오베이트 전기광학 변조기

높은 선형성전기광학 변조기및 마이크로파 광자 응용
통신 시스템에 대한 요구 사항이 증가함에 따라 신호 전송 효율을 더욱 향상시키기 위해 사람들은 광자와 전자를 융합하여 상호 보완적인 이점을 얻게 되었고, 이것이 마이크로파 포토닉스의 탄생으로 이어졌습니다. 전기를 빛으로 변환하기 위해서는 전기광학 변조기가 필요합니다.마이크로파 광자 시스템이 핵심 단계는 일반적으로 전체 시스템의 성능을 결정합니다. 무선 주파수 신호를 광 영역으로 변환하는 것은 아날로그 신호 처리 과정이기 때문에 일반적인전기광학 변조기본질적인 비선형성으로 인해 변환 과정에서 심각한 신호 왜곡이 발생합니다. 근사적인 선형 변조를 구현하기 위해 변조기의 동작점을 직교 바이어스 지점에 고정하는 것이 일반적이지만, 이는 여전히 마이크로파 광자 링크에 요구되는 변조기의 선형성을 충족시키지 못합니다. 따라서 높은 선형성을 갖춘 전기광학 변조기가 시급히 필요합니다.

실리콘 소재의 고속 굴절률 변조는 일반적으로 자유 전하 플라즈마 분산(FCD) 효과를 통해 이루어집니다. FCD 효과와 PN 접합 변조 모두 비선형적이므로 실리콘 변조기는 리튬 니오베이트 변조기보다 선형성이 떨어집니다. 리튬 니오베이트 소재는 우수한 특성을 나타냅니다.전기광학 변조리튬 니오베이트 소재는 퍼커 효과로 인해 다양한 특성을 나타냅니다. 동시에 넓은 대역폭, 우수한 변조 특성, 낮은 손실, 손쉬운 집적화 및 반도체 공정과의 호환성 등의 장점을 가지고 있습니다. 박막 리튬 니오베이트를 이용한 고성능 전기광학 변조기는 실리콘에 비해 "단락판" 현상이 거의 발생하지 않으면서 높은 선형성을 구현할 수 있습니다. 절연체 상의 박막 리튬 니오베이트(LNOI) 전기광학 변조기는 유망한 개발 방향으로 떠오르고 있습니다. 박막 리튬 니오베이트 소재 제조 기술과 도파관 식각 기술의 발전과 함께 고효율 및 고집적 박막 리튬 니오베이트 전기광학 변조기는 학계와 산업계에서 국제적인 연구 분야로 자리매김하고 있습니다.

리튬 니오베이트 박막의 특성
미국 DAP AR 기획팀은 리튬 니오베이트 소재에 대해 다음과 같은 평가를 내렸습니다. 전자 혁명의 중심이 그 혁명을 가능하게 한 실리콘 소재의 이름을 따서 명명되었다면, 광자 혁명의 발상지는 리튬 니오베이트의 이름을 따서 명명될 가능성이 높습니다. 이는 리튬 니오베이트가 광학 분야의 실리콘 소재처럼 전기광학 효과, 음향광학 효과, 압전 효과, 열전 효과, 광굴절 효과를 하나로 통합하고 있기 때문입니다.

광 전송 특성 측면에서 InP 소재는 일반적으로 사용되는 1550nm 대역에서 빛을 흡수하기 때문에 온칩 전송 손실이 가장 큽니다. SiO2와 질화규소는 가장 우수한 전송 특성을 보이며 손실은 약 0.01dB/cm 수준에 도달할 수 있습니다. 현재 박막 니오브산리튬 도파관의 손실은 0.03dB/cm 수준에 도달할 수 있으며, 향후 기술 수준이 지속적으로 향상됨에 따라 손실을 더욱 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다. 따라서 박막 니오브산리튬 소재는 광합성 경로, 션트 및 마이크로링과 같은 수동 광 구조에 우수한 성능을 보일 것입니다.

광 발생 측면에서 볼 때, InP만이 직접 빛을 방출할 수 있습니다. 따라서 마이크로파 광자 응용을 위해서는 백로딩 용접 또는 에피택셜 성장 방식을 통해 LNOI 기반 광자 집적 칩에 InP 기반 광원을 도입해야 합니다. 광 변조 측면에서, 앞서 강조했듯이 리튬 니오베이트 박막 소재는 InP 및 Si에 비해 더 넓은 변조 대역폭, 더 낮은 반파 전압 및 더 낮은 전송 손실을 구현하기 쉽습니다. 더욱이, 리튬 니오베이트 박막 소재의 높은 전기광학 변조 선형성은 모든 마이크로파 광자 응용 분야에 필수적입니다.

광 라우팅 측면에서, 리튬 니오베이트 박막 소재의 고속 전기광학적 응답 특성 덕분에 LNOI 기반 광 스위치는 고속 광 라우팅 스위칭이 가능하며, 이러한 고속 스위칭의 전력 소비 또한 매우 낮습니다. 집적 마이크로파 광자 기술의 일반적인 응용 분야에서, 광 제어 빔포밍 칩은 고속 스위칭 기능을 통해 빠른 빔 스캐닝 요구를 충족할 수 있으며, 초저전력 소비 특성은 대규모 위상 배열 시스템의 엄격한 요구 사항에 적합합니다. InP 기반 광 스위치 또한 고속 광 경로 스위칭을 구현할 수 있지만, 특히 다단계 광 스위치를 직렬로 연결할 경우 큰 잡음이 발생하고 잡음 계수가 심각하게 악화됩니다. 실리콘, SiO2 및 질화규소 소재는 열광학 효과 또는 캐리어 분산 효과를 통해서만 광 경로를 스위칭할 수 있어 전력 소비가 높고 스위칭 속도가 느리다는 단점이 있습니다. 위상 배열의 크기가 커질수록 전력 소비 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

광 증폭 측면에서 보면,반도체 광 증폭기 (SOAInP 기반의 광 증폭기는 상용화 단계에 이르렀지만, 높은 잡음 계수와 낮은 포화 출력 전력이라는 단점이 있어 마이크로파 광자 응용에 적합하지 않습니다. 주기적인 활성화 및 반전을 기반으로 하는 박막 리튬 니오베이트 도파관의 파라메트릭 증폭 공정은 저잡음 고출력 온칩 광 증폭을 구현할 수 있으며, 이는 집적 마이크로파 광자 기술의 온칩 광 증폭 요구 사항을 충분히 충족할 수 있습니다.

광 검출 측면에서 리튬 니오베이트 박막은 1550nm 대역의 빛에 대해 우수한 투과 특성을 나타냅니다. 그러나 광전 변환 기능은 구현할 수 없으므로, 마이크로파 광자 응용 분야에서 칩 상의 광전 변환 요구 사항을 충족하기 위해서는 InGaAs 또는 Ge-Si 검출 소자를 백로딩 용접 또는 에피택셜 성장을 통해 LNOI 기반 광자 집적 칩에 도입해야 합니다. 광섬유와의 결합 측면에서, 광섬유 자체가 SiO2 재질이기 때문에 SiO2 도파관의 모드 필드가 광섬유의 모드 필드와 가장 높은 정합도를 가지며, 따라서 결합이 가장 용이합니다. 리튬 니오베이트 박막의 강하게 제한된 도파관의 모드 필드 직경은 약 1μm로 광섬유의 모드 필드와 상당히 다르므로, 광섬유의 모드 필드와 정합시키기 위해서는 적절한 모드 스팟 변환이 필요합니다.

집적도 측면에서 다양한 재료의 높은 집적 잠재력은 주로 도파관의 굽힘 반경(도파관 모드 필드의 제한에 영향을 받음)에 달려 있습니다. 강하게 제한된 도파관은 더 작은 굽힘 반경을 허용하므로 고집적 구현에 더 유리합니다. 따라서 박막 리튬 니오베이트 도파관은 고집적화를 달성할 잠재력을 가지고 있습니다. 이처럼 박막 리튬 니오베이트의 등장으로 리튬 니오베이트 소재는 진정한 광학적 "실리콘" 역할을 수행할 수 있게 되었습니다. 특히 마이크로파 광자 응용 분야에서 박막 리튬 니오베이트의 장점은 더욱 두드러집니다.