박막 리튬 니오베이트 소재 및 박막 리튬 니오베이트 변조기

집적 마이크로파 광자 기술에서 리튬 니오베이트 박막의 장점 및 중요성

마이크로파 광자 기술마이크로파 광자는 넓은 동작 대역폭, 강력한 병렬 처리 능력, 낮은 전송 손실 등의 장점을 가지고 있어 기존 마이크로파 시스템의 기술적 한계를 극복하고 레이더, 전자전, 통신, 측정 및 제어와 같은 군용 전자 정보 장비의 성능을 향상시킬 잠재력을 지니고 있습니다. 그러나 개별 소자 기반의 마이크로파 광자 시스템은 부피가 크고 무게가 무거우며 안정성이 떨어지는 등의 문제점을 가지고 있어 우주 및 항공 플랫폼에서의 마이크로파 광자 기술 적용을 심각하게 제한하고 있습니다. 따라서 집적 마이크로파 광자 기술은 군용 전자 정보 시스템에서 마이크로파 광자 기술의 한계를 극복하고 그 장점을 최대한 발휘하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

현재 광통신 분야에서 수년간의 개발을 통해 SI 기반 광자 집적 기술과 INP 기반 광자 집적 기술은 점점 더 성숙해졌고, 많은 제품이 시장에 출시되었습니다. 그러나 마이크로파 광자 응용 분야에서는 이러한 두 가지 광자 집적 기술에 몇 가지 문제가 있습니다. 예를 들어, Si 변조기와 InP 변조기의 비선형 전기광학 계수는 마이크로파 광자 기술이 추구하는 높은 선형성과 큰 동적 특성에 부합하지 않습니다. 또한, 열광학 효과, 압전 효과 또는 캐리어 주입 분산 효과를 기반으로 하는 광 경로 전환을 구현하는 실리콘 광 스위치는 스위칭 속도가 느리고 전력 소비와 발열이 높아 고속 빔 스캐닝 및 대규모 어레이 규모의 마이크로파 광자 응용 분야에 적합하지 않습니다.

리튬 니오베이트는 고속 충전에 있어 항상 최우선 선택이었습니다.전기광학 변조뛰어난 선형 전기광학 효과 때문에 이러한 소재들이 사용됩니다. 그러나 기존의 니오브산리튬은전기광학 변조기기존의 광자 집적 소자는 거대한 니오브산리튬 결정 소재로 만들어져 크기가 매우 커서 집적 마이크로파 광자 기술의 요구 조건을 충족하지 못했습니다. 선형적인 전기광학 계수를 갖는 니오브산리튬 소재를 집적 마이크로파 광자 기술 시스템에 통합하는 것이 관련 연구자들의 목표가 되었습니다. 2018년, 미국 하버드 대학교 연구팀은 박막 니오브산리튬 기반의 광자 집적 기술을 네이처(Nature)지에 최초로 발표했습니다. 이 기술은 높은 집적도, 넓은 전기광학 변조 대역폭, 그리고 높은 전기광학 효과의 선형성이라는 장점을 가지고 있어 발표되자마자 광자 집적 및 마이크로파 광자 분야에서 학계와 산업계의 큰 주목을 받았습니다. 본 논문은 마이크로파 광자 응용 관점에서 박막 니오브산리튬 기반 광자 집적 기술이 마이크로파 광자 기술 발전에 미치는 영향과 중요성을 고찰합니다.

박막 리튬 니오베이트 소재 및 박막리튬 니오베이트 변조기
최근 2년 동안 새로운 유형의 리튬 니오베이트 소재가 등장했는데, 이는 "이온 슬라이싱" 방법을 이용하여 대량의 리튬 니오베이트 결정에서 리튬 니오베이트 박막을 박리하고 실리카 버퍼층을 통해 Si 웨이퍼에 접합하여 LNOI(LiNbO3-On-Insulator) 소재를 형성한 것이다[5]. 본 논문에서는 이를 박막 리튬 니오베이트 소재라고 부른다. 최적화된 건식 식각 공정을 통해 박막 리튬 니오베이트 소재 위에 100나노미터 이상의 높이를 갖는 리지 도파관을 식각할 수 있으며, 형성된 도파관의 유효 굴절률 차이는 0.8 이상에 도달할 수 있다(기존 리튬 니오베이트 도파관의 굴절률 차이인 0.02보다 훨씬 높음)(그림 1 참조). 이처럼 강하게 제한된 도파관은 변조기 설계 시 광장과 마이크로파장의 정합을 용이하게 한다. 따라서 더 짧은 길이에서 더 낮은 반파 전압과 더 넓은 변조 대역폭을 달성하는 데 유리하다.

저손실 리튬 니오베이트 서브마이크론 도파관의 등장으로 기존 리튬 니오베이트 전기광학 변조기의 높은 구동 전압이라는 병목 현상이 해소되었습니다. 전극 간격을 약 5μm까지 줄일 수 있고, 전기장과 광 모드장의 중첩이 크게 증가하여 vπ·L 값이 20V·cm 이상에서 2.8V·cm 미만으로 감소합니다. 따라서 동일한 반파 전압에서 기존 변조기에 비해 소자의 길이를 크게 줄일 수 있습니다. 동시에, 그림과 같이 진행파 전극의 폭, 두께 및 간격 등의 매개변수를 최적화하면 100GHz 이상의 초고대역 변조 성능을 구현할 수 있습니다.

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

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

본 연구에서는 박막 리튬 니오베이트 변조기와 기존의 상용 리튬 니오베이트 변조기, 실리콘 기반 변조기, 인듐 인화물(InP) 변조기 및 기타 기존 고속 전기광학 변조기를 비교하며, 주요 비교 매개변수는 다음과 같습니다.
(1) 반파 전압 길이 곱(vπ ·L, V·cm)은 변조기의 변조 효율을 측정하는 것으로, 값이 작을수록 변조 효율이 높습니다.
(2) 3dB 변조 대역폭(GHz)은 변조기의 고주파 변조에 대한 응답을 측정합니다.
(3) 변조 영역에서의 광 삽입 손실(dB). 표에서 볼 수 있듯이 박막 리튬 니오베이트 변조기는 변조 대역폭, 반파 전압, 광 보간 손실 등에서 뚜렷한 이점을 가지고 있습니다.

집적 광전자공학의 핵심 소재인 실리콘은 현재까지 상당한 발전을 이루었으며, 공정이 성숙 단계에 접어들었고, 소형화 기술 덕분에 능동/수동 소자의 대규모 집적화가 가능해졌습니다. 또한, 실리콘 변조기는 광통신 분야에서 광범위하고 심도 있게 연구되어 왔습니다. 실리콘의 전기광학 변조 메커니즘은 주로 전하 소실, 전하 주입, 전하 축적으로 구성됩니다. 이 중 선형 전하 소실 메커니즘을 사용할 때 변조기의 대역폭이 최적화되지만, 광장 분포가 소실 영역의 불균일성과 겹치면서 비선형 2차 왜곡 및 3차 상호변조 왜곡이 발생하고, 여기에 전하의 광 흡수 효과까지 더해져 광 변조 진폭이 감소하고 신호 왜곡이 발생합니다.

InP 변조기는 뛰어난 전기광학 효과를 가지며, 다층 양자 우물 구조를 통해 최대 0.156V·mm의 Vπ·L 값을 갖는 초고속 저구동 전압 변조기를 구현할 수 있습니다. 그러나 전기장에 따른 굴절률 변화는 선형 및 비선형 항을 포함하며, 전기장 세기가 증가함에 따라 2차 효과가 두드러지게 나타납니다. 따라서 실리콘 및 InP 전기광학 변조기는 작동 시 pn 접합을 형성하기 위해 바이어스를 인가해야 하며, pn 접합은 광 흡수 손실을 유발합니다. 하지만 이 두 변조기는 크기가 작으며, 상용 InP 변조기의 크기는 리튬 니오베이트(LN) 변조기의 1/4 수준입니다. 높은 변조 효율을 제공하여 데이터 센터와 같은 고밀도 단거리 디지털 광 전송 네트워크에 적합합니다. 리튬 니오베이트의 전기광학 효과는 광 흡수 메커니즘이 없고 손실이 적어 장거리 코히런트 전송에 적합합니다.광통신대용량 및 고속 전송이 요구되는 마이크로파 광자 응용 분야에서, 실리콘(Si)과 인듐 파이버(InP)의 전기광학 계수는 비선형적이어서 높은 선형성과 큰 동적 범위를 필요로 하는 마이크로파 광자 시스템에 적합하지 않습니다. 반면, 니오브산리튬(LiNbB) 소재는 전기광학 변조 계수가 완전히 선형적이어서 마이크로파 광자 응용 분야에 매우 적합합니다.