박막 리튬 니오베이트 재료 및 박막 리튬 니오베이트 변조기

집적 마이크로파 광자 기술에서 박막 리튬 니오베이트의 장점 및 중요성

마이크로파 광자 기술넓은 작업 대역폭, 강력한 병렬 처리 능력, 낮은 전송 손실이라는 장점을 가지고 있어 기존 마이크로파 시스템의 기술적 병목 현상을 해소하고 레이더, 전자전, 통신, 계측 제어 등 군용 전자 정보 장비의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 개별 소자 기반 마이크로파 광자 시스템은 부피, 무게, 안정성 저하 등의 문제점을 안고 있어 우주 및 항공 플랫폼에서 마이크로파 광자 기술의 적용을 심각하게 제한합니다. 따라서 통합 마이크로파 광자 기술은 군용 전자 정보 시스템에서 마이크로파 광자 적용을 극복하고 마이크로파 광자 기술의 장점을 최대한 활용하는 데 중요한 기반이 되고 있습니다.

현재 SI 기반 광자 집적 기술과 INP 기반 광자 집적 기술은 광통신 분야에서 수년간의 개발을 거쳐 점점 더 성숙 단계에 접어들었으며, 많은 제품이 시장에 출시되었습니다. 그러나 마이크로파 광자 응용 분야에서는 이 두 가지 광자 집적 기술에 몇 가지 문제가 있습니다. 예를 들어, Si 변조기와 InP 변조기의 비선형 전기 광학 계수는 마이크로파 광자 기술이 추구하는 높은 선형성과 큰 동적 특성에 위배됩니다. 예를 들어, 열 광학 효과, 압전 효과 또는 캐리어 주입 분산 효과를 기반으로 하는 광 경로 스위칭을 구현하는 실리콘 광 스위치는 스위칭 속도가 느리고 전력 소모 및 발열이 심하여 빠른 빔 스캐닝과 대규모 어레이 규모의 마이크로파 광자 응용을 충족할 수 없습니다.

리튬 니오베이트는 항상 고속을 위한 첫 번째 선택이었습니다.전기광학 변조우수한 선형 전기광학 효과로 인해 재료에 적합합니다. 그러나 기존의 리튬 니오베이트전기광학 변조기영어: 거대한 리튬 니오베이트 결정 재료로 만들어졌으며 장치 크기가 매우 커서 통합 마이크로파 광자 기술의 요구를 충족할 수 없습니다. 선형 전기 광학 계수를 가진 리튬 니오베이트 재료를 통합 마이크로파 광자 기술 시스템에 통합하는 방법은 관련 연구자들의 목표가 되었습니다. 2018년 미국 하버드 대학교의 연구팀은 박막 리튬 니오베이트 기반 광자 통합 기술을 Nature에 처음 보고했습니다. 이 기술은 높은 통합, 넓은 전기 광학 변조 대역폭, 높은 전기 광학 효과 선형성이라는 장점이 있기 때문에 출시되자마자 광자 통합 및 마이크로파 광자학 분야에서 학계와 산업계의 관심을 불러일으켰습니다. 마이크로파 광자 응용의 관점에서 본 논문은 박막 리튬 니오베이트 기반 광자 통합 기술이 마이크로파 광자 기술 개발에 미치는 영향과 중요성을 검토합니다.

박막 리튬 니오베이트 재료 및 박막리튬 니오베이트 변조기
최근 2년 동안 새로운 유형의 리튬 니오베이트 재료가 등장했습니다.즉, 리튬 니오베이트 필름을 "이온 슬라이싱" 방법으로 거대한 리튬 니오베이트 결정에서 박리하고 실리카 버퍼층으로 Si 웨이퍼에 접합하여 LNOI(LiNbO3-On-Insulator) 재료를 형성합니다[5].이 논문에서는 이를 박막 리튬 니오베이트 재료라고 합니다.최적화된 건식 에칭 공정을 통해 100나노미터 이상의 높이를 가진 리지 도파로를 박막 리튬 니오베이트 재료에 에칭할 수 있으며, 형성된 도파로의 유효 굴절률 차이는 그림 1에서 볼 수 있듯이 0.8 이상(기존 리튬 니오베이트 도파로의 굴절률 차이 0.02보다 훨씬 높음)에 도달할 수 있습니다.강하게 제한된 도파로를 사용하면 변조기를 설계할 때 광장과 마이크로파장을 일치시키기가 더 쉽습니다.따라서 더 짧은 길이에서 더 낮은 반파 전압과 더 큰 변조 대역폭을 달성하는 것이 유익합니다.

저손실 리튬 니오베이트 서브마이크론 도파관의 등장은 기존 리튬 니오베이트 전기 광학 변조기의 높은 구동 전압 병목 현상을 해소합니다. 전극 간격을 약 5μm로 줄일 수 있고, 전기장과 광 모드 필드의 중첩을 크게 증가시키며, vπ·L을 20V·cm 이상에서 2.8V·cm 미만으로 감소시킵니다. 따라서 동일한 반파장 전압에서 기존 변조기에 비해 소자 길이를 크게 줄일 수 있습니다. 동시에 그림과 같이 진행파 전극의 폭, 두께, 간격 매개변수를 최적화함으로써 변조기는 100GHz 이상의 초고변조 대역폭을 구현할 수 있습니다.

그림 1 (a) 계산된 모드 분포 및 (b) LN 도파관 단면 이미지

그림 2 (a) LN 변조기의 도파관 및 전극 구조 및 (b) 코어 플레이트

박막 리튬 니오베이트 변조기를 기존의 리튬 니오베이트 상업용 변조기, 실리콘 기반 변조기 및 인듐 인화물(InP) 변조기 및 기타 기존 고속 전기 광학 변조기와 비교할 때, 비교의 주요 매개변수는 다음과 같습니다.
(1) 반파장 전압-길이 곱(vπ ·L, V·cm)은 변조기의 변조 효율을 측정하는 것으로, 값이 작을수록 변조 효율이 높다.
(2) 3dB 변조 대역폭(GHz)은 변조기의 고주파 변조에 대한 응답을 측정합니다.
(3) 변조 영역에서의 광 삽입 손실(dB). 표에서 알 수 있듯이 박막 리튬 니오베이트 변조기는 변조 대역폭, 반파장 전압, 광 보간 손실 등에서 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다.

집적 광전자공학의 초석인 실리콘은 현재까지 개발되어 왔으며, 공정이 성숙되었고, 미세화는 능동/수동 소자의 대규모 집적에 유리하며, 실리콘의 변조기는 광통신 분야에서 광범위하고 심도 있게 연구되어 왔습니다. 실리콘의 전기광학적 변조 메커니즘은 주로 캐리어 고갈, 캐리어 주입, 그리고 캐리어 축적입니다. 이 중 변조기의 대역폭은 선형 차수 캐리어 고갈 메커니즘에서 최적화되지만, 광전장 분포가 고갈 영역의 불균일성과 겹치기 때문에 이러한 효과는 비선형 2차 왜곡 및 3차 혼변조 왜곡 항을 초래하고, 이는 캐리어가 빛을 흡수하는 효과와 결합하여 광 변조 진폭과 신호 왜곡을 감소시킵니다.

InP 변조기는 뛰어난 전기광학 효과를 가지며, 다층 양자우물 구조는 최대 0.156V·mm의 Vπ·L을 갖는 초고속 및 저구동 전압 변조기를 구현할 수 있습니다. 그러나 전계에 따른 굴절률 변화는 선형 및 비선형 항을 포함하며, 전계 강도가 증가하면 2차 효과가 두드러집니다. 따라서 실리콘 및 InP 전기광학 변조기는 작동 시 pn 접합을 형성하기 위해 바이어스를 인가해야 하며, pn 접합은 빛에 흡수 손실을 초래합니다. 그러나 이 두 변조기의 크기는 소형이며, 상용 InP 변조기는 LN 변조기의 1/4 크기입니다. 높은 변조 효율은 데이터 센터와 같은 고밀도 및 단거리 디지털 광 전송 네트워크에 적합합니다. 리튬 니오베이트의 전기광학 효과는 광 흡수 메커니즘이 없고 손실이 적어 장거리 코히어런트 광 전송에 적합합니다.광통신대용량과 고속 특성을 지닙니다. 마이크로파 광자 응용 분야에서 Si와 InP의 전기광학 계수는 비선형적이어서 높은 선형성과 큰 동역학을 추구하는 마이크로파 광자 시스템에는 적합하지 않습니다. 리튬 니오베이트 재료는 완전히 선형적인 전기광학 변조 계수를 가지므로 마이크로파 광자 응용 분야에 매우 적합합니다.