導入
電子集積回路（EIC）の成功に触発され、光集積回路（PIC）の分野は1969年の誕生以来、進化を続けています。しかし、EICとは異なり、多様な光アプリケーションに対応できる汎用プラットフォームの開発は依然として大きな課題です。本稿では、次世代PICの有望なソリューションとして急速に注目を集めている、ニオブ酸リチウム・オン・インシュレーター（LNOI）技術について考察します。
LNOIテクノロジーの台頭
ニオブ酸リチウム（LN）は、フォトニクス応用における重要な材料として長年認識されてきました。しかし、薄膜LNOIと高度な製造技術の登場によって初めて、その潜在能力は最大限に発揮されました。研究者らは、LNOIプラットフォーム上で超低損失リッジ導波路と超高Q値微小共振器の実現に成功しており[1]、これは集積フォトニクスにおける大きな飛躍を示しています。
LNOIテクノロジーの主な利点
- 超低光損失（0.01 dB/cm程度）
- 高品質ナノフォトニック構造
- 多様な非線形光学プロセスのサポート
- 統合型電気光学（EO）調整機能
LNOIにおける非線形光学過程
LNOIプラットフォーム上に製造される高性能ナノフォトニック構造は、卓越した効率と最小限のポンプ電力で主要な非線形光学プロセスを実現することを可能にします。実証済みのプロセスは以下のとおりです。
- 第二高調波発生（SHG）
- 和周波発生（SFG）
- 差周波数発生器（DFG）
- パラメトリックダウンコンバージョン（PDC）
- 四光波混合（FWM）
これらのプロセスを最適化するためにさまざまな位相整合方式が実装されており、LNOI は非常に汎用性の高い非線形光学プラットフォームとして確立されています。
電気光学的に調整可能な集積デバイス
LNOI テクノロジーにより、次のような幅広いアクティブおよびパッシブの調整可能な光子デバイスの開発も可能になりました。
- 高速光変調器
- 再構成可能な多機能PIC
- 調整可能な周波数コム
- マイクロオプトメカニカルスプリング
これらのデバイスは、ニオブ酸リチウムの固有の EO 特性を活用して、光信号の正確かつ高速な制御を実現します。
LNOIフォトニクスの実用化
LNOI ベースの PIC は現在、次のような実用的なアプリケーションで採用されつつあります。
- マイクロ波-光変換器
- 光学センサー
- オンチップ分光計
- 光周波数コム
- 高度な通信システム
これらのアプリケーションは、フォトリソグラフィによる製造を通じてスケーラブルでエネルギー効率の高いソリューションを提供しながら、バルク光コンポーネントのパフォーマンスに匹敵する LNOI の潜在能力を実証しています。
現在の課題と将来の方向性
有望な進歩にもかかわらず、LNOI テクノロジーはいくつかの技術的なハードルに直面しています。
a) 光損失のさらなる低減
現在の導波路損失（0.01 dB/cm）は、依然として材料の吸収限界よりも1桁以上高い。表面粗さと吸収に関連する欠陥を低減するには、イオンスライス技術とナノファブリケーションの進歩が必要である。
b) 導波管形状制御の改善
再現性を犠牲にしたり伝播損失を増加させたりすることなく、700 nm 未満の導波路と 2 μm 未満の結合ギャップを可能にすることは、より高い統合密度を実現するために重要です。
c) カップリング効率の向上
テーパーファイバーとモードコンバーターは高い結合効率の達成に役立ちますが、反射防止コーティングは空気と材料の界面の反射をさらに軽減することができます。
d) 低損失偏光部品の開発
LNOI 上の偏光不感光デバイスは不可欠であり、自由空間偏光子の性能に一致するコンポーネントが必要です。
e) 制御電子機器の統合
光学性能を低下させることなく大規模な制御電子機器を効果的に統合することが、重要な研究方向です。
f) 高度な位相整合と分散工学
サブミクロン解像度での信頼性の高いドメインパターン形成は非線形光学にとって不可欠ですが、LNOI プラットフォームではまだ未熟な技術のままです。
g) 製造上の欠陥に対する補償
環境の変化や製造上のばらつきによって引き起こされる位相シフトを軽減する技術は、実際の展開に不可欠です。
h) 効率的なマルチチップカップリング
単一ウェーハの統合限界を超えて拡張するには、複数の LNOI チップ間の効率的な結合に対処する必要があります。
能動部品と受動部品のモノリシック統合
LNOI PIC の主な課題は、次のような能動部品と受動部品をコスト効率よくモノリシックに統合することです。
- レーザー
- 検出器
- 非線形波長変換器
- 変調器
- マルチプレクサ/デマルチプレクサ
現在の戦略は次のとおりです。
a) LNOIのイオンドーピング：
指定された領域に活性イオンを選択的にドーピングすると、オンチップ光源を実現できます。
b) 結合と異種統合：
事前に製造されたパッシブ LNOI PIC をドープ LNOI 層または III-V レーザーと結合すると、代替パスが提供されます。
c) ハイブリッドアクティブ/パッシブLNOIウェーハ製造：
革新的なアプローチでは、イオンスライスの前にドープされた LN ウェーハとドープされていない LN ウェーハを結合し、アクティブ領域とパッシブ領域の両方を備えた LNOI ウェーハを生成します。
図1単一のリソグラフィ プロセスで両方のタイプのコンポーネントのシームレスな配置と統合を可能にする、ハイブリッド統合アクティブ/パッシブ PIC の概念を示します。
光検出器の統合
LNOIベースのPICに光検出器を統合することは、完全に機能するシステムを実現するための重要なステップです。現在、主に2つのアプローチが検討されています。
a) 異種統合:
半導体ナノ構造はLNOI導波路に過渡的に結合することができる。しかし、検出効率と拡張性の向上が依然として求められている。
b) 非線形波長変換：
LN の非線形特性により導波管内での周波数変換が可能になり、動作波長に関係なく標準的なシリコン光検出器を使用できるようになります。
結論
LNOI技術の急速な進歩により、業界は幅広いアプリケーションに対応できる汎用PICプラットフォームの実現に近づいています。既存の課題を解決し、モノリシックおよび検出器の統合におけるイノベーションを推進することで、LNOIベースのPICは、通信、量子情報、センシングなどの分野に革命をもたらす可能性を秘めています。
LNOIは、EICの成功と影響力に匹敵する、スケーラブルなPICという長年のビジョンを実現するという大きな可能性を秘めています。南京フォトニクス・プロセス・プラットフォームや小用科技設計プラットフォームをはじめとする継続的な研究開発活動は、集積フォトニクスの未来を形作り、様々な技術分野における新たな可能性を切り開く上で極めて重要な役割を果たすでしょう。
投稿日時: 2025年7月18日