薄膜タンタル酸リチウム（LTOI）材料は、集積光学分野における新たな重要な力として台頭しています。今年は、LTOI変調器に関する高度な研究がいくつか発表されました。上海マイクロシステム・情報技術研究所のXin Ou教授による高品質LTOIウェハの提供、およびスイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）のKippenberg教授グループによる高品質導波路エッチングプロセスの開発などがその例です。両教授の共同研究は、目覚ましい成果を示しました。さらに、浙江大学のLiu Liu教授率いる研究チームとハーバード大学のLoncar教授率いる研究チームも、高速・高安定性のLTOI変調器に関する報告を行っています。
薄膜ニオブ酸リチウム（LNOI）の近縁種であるLTOIは、ニオブ酸リチウムの高速変調特性と低損失特性を維持しながら、低コスト、低複屈折性、フォトリフラクティブ効果の低減などの利点も備えています。以下に、両材料の主な特性の比較を示します。
◆ タンタル酸リチウム（LTOI）とニオブ酸リチウム（LNOI）の類似点
①屈折率:2.12対2.21
これは、両材料に基づくシングルモード導波路の寸法、曲げ半径、および一般的な受動素子のサイズが非常に類似しており、光ファイバー結合性能も同等であることを意味します。良好な導波路エッチングにより、両材料とも挿入損失は<0.1 dB/cm。EPFL は導波管損失が 5.6 dB/m であると報告しています。
②電気光学係数:30.5 pm/V 対 30.9 pm/V
変調効率は両材料で同等であり、ポッケルス効果に基づく変調により高帯域幅を実現しています。現在、LTOI変調器はレーンあたり400Gの性能を達成でき、帯域幅は110GHzを超えています。
③バンドギャップ:3.93 eV対3.78 eV
どちらの材料も広い透明窓を備えており、通信帯域で吸収がなく、可視から赤外線の波長までのアプリケーションをサポートします。
④2次非線形係数（d33）：21 pm/V 対 27 pm/V
第二高調波発生 (SHG)、差周波発生 (DFG)、和周波発生 (SFG) などの非線形アプリケーションに使用する場合、2 つの材料の変換効率は非常に類似しているはずです。
◆ LTOIとLNOIのコスト優位性
①ウェーハ準備コストの削減
LNOIでは、層間分離にHeイオン注入が必要ですが、イオン化効率は低いです。一方、LTOIではSOIと同様にHイオン注入を用いて層間分離を行い、LNOIの10倍以上の剥離効率を実現します。これにより、6インチウェーハの場合、300ドルに対して2000ドルという大きな価格差が生じ、85%のコスト削減となります。
②音響フィルターとして家電市場ですでに広く利用されている。（年間75万台、サムスン、アップル、ソニーなどで使用）。
◆ LTOIとLNOIのパフォーマンス上の利点
①材料欠陥が少なく、光屈折効果が弱く、安定性が高い
当初、LNOI変調器は、主に導波路インターフェースの欠陥に起因する電荷蓄積により、バイアスポイントドリフトを頻繁に発生していました。対策を講じない場合、デバイスが安定するまでに最大1日かかることもありました。しかし、この問題に対処するために、金属酸化物クラッド、基板分極、アニール処理など、様々な手法が開発され、現在ではこの問題はほぼ解決可能となっています。
対照的に、LTOIは材料欠陥が少なく、ドリフト現象が大幅に減少します。追加処理を行わなくても、動作点は比較的安定しています。EPFL、ハーバード大学、浙江大学でも同様の結果が報告されています。しかし、これらの比較では未処理のLNOI変調器が使用されることが多く、必ずしも公平とは言えません。処理を施すことで、両材料の性能はほぼ同等になる可能性があります。主な違いは、LTOIでは追加処理工程が少なくて済むことです。
②低い複屈折: 0.004 vs 0.07
ニオブ酸リチウム（LNOI）の高い複屈折性は、導波路の曲がりによってモード結合やモード混成が生じる可能性があるため、時として問題となることがあります。薄いLNOIでは、導波路の曲がりによってTE光がTM光に部分的に変換され、フィルターなどの特定の受動デバイスの製造が複雑になります。
LTOIでは、複屈折が低いためこの問題が解消され、高性能受動デバイスの開発が容易になる可能性があります。EPFL（スイス連邦工科大学ローザンヌ校）も、LTOIの低複屈折性とモード交差のなさを活用し、広いスペクトル範囲にわたって平坦な分散制御を備えた超広帯域電気光学周波数コム生成を実現したという注目すべき結果を報告しています。その結果、2000本を超えるコムラインを有する450nmという驚異的なコム帯域幅が実現しました。これは、ニオブ酸リチウムで達成できる帯域幅の数倍に相当します。カー光周波数コムと比較して、電気光学コムは閾値フリーでより安定しているという利点がありますが、高出力のマイクロ波入力が必要です。
③より高い光学損傷閾値
LTOIの光損傷閾値はLNOIの2倍であり、非線形アプリケーション（および将来のコヒーレント完全吸収（CPO）アプリケーション）において優位性があります。現在の光モジュールの出力レベルでは、ニオブ酸リチウムが損傷する可能性は低いと考えられます。
④低ラマン効果
これは非線形アプリケーションにも当てはまります。ニオブ酸リチウムは強いラマン効果を有しており、カー光周波数コムアプリケーションでは不要なラマン光生成と利得競合を引き起こし、xカットニオブ酸リチウム光周波数コムがソリトン状態に到達できないことがあります。LTOIでは、結晶配向設計によってラマン効果を抑制できるため、xカットLTOIでソリトン光周波数コムの生成が可能になります。これにより、LNOIでは実現できない、ソリトン光周波数コムと高速変調器のモノリシック集積が可能になります。
◆ なぜ薄膜タンタル酸リチウム（LTOI）について先に言及しなかったのか？
タンタル酸リチウムのキュリー温度はニオブ酸リチウムよりも低く（610℃対1157℃）、ヘテロインテグレーション技術（XOI）が開発される以前は、ニオブ酸リチウム変調器はチタン拡散法で製造されていましたが、1000℃を超えるアニール処理が必要だったため、LTOIは適していませんでした。しかし、今日では変調器の形成に絶縁基板と導波路エッチングが用いられるようになり、610℃のキュリー温度でも十分と言えるでしょう。
◆ 薄膜タンタル酸リチウム (LTOI) は薄膜ニオブ酸リチウム (TFLN) に取って代わるでしょうか?
現在の研究に基づくと、LTOI は受動性能、安定性、および大規模生産コストの面で利点があり、明らかな欠点はありません。ただし、LTOI は変調性能においてニオブ酸リチウムを上回ることはなく、LNOI の安定性の問題には既知の解決策があります。通信 DR モジュールの場合、受動部品の需要は最小限です (必要に応じて窒化シリコンを使用できます)。さらに、ウェーハレベルのエッチングプロセス、ヘテロ集積化技術、および信頼性テストを再確立するには、新たな投資が必要です (ニオブ酸リチウムのエッチングの難しさは導波路ではなく、高歩留まりのウェーハレベルのエッチングを実現することでした)。したがって、ニオブ酸リチウムの確立された地位と競争するためには、LTOI はさらなる利点を発見する必要があるかもしれません。ただし、学術的には、LTOI は、オクターブスパニング電気光学コム、PPLT、ソリトンおよび AWG 波長分割デバイス、アレイ変調器などの統合オンチップシステムの大きな研究の可能性を秘めています。
投稿日時: 2024年11月8日