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EPFL、低コスト・高効率の新型フォトニック集積回路

May, 24, 2024, Lausanne--EPFLの研究者は、タンタル酸リチウム(リチウムタンタレート)をベースにしたスケーラブルなフォトニック集積回路を開発した。これは、光学技術の大幅な進歩を示し、広範な商用アプリケーションの可能性を秘めている。

複数の光デバイスと機能を1つのチップに組み合わせたフォトニック集積回路(PIC)の急速な進歩は、光通信とコンピューティングシステムに革命をもたらした。

何十年もの間、シリコンベースのPICsは、電気光学変調帯域幅に関する制限にもかかわらず、費用対効果が高く、既存の半導体製造技術との統合により、この分野を支配してきた。それにもかかわらず、シリコン・オン・インシュレータ光トランシーバーチップの商品化に成功し、現代のデータセンタでは何百万ものガラスファイバを介した情報トラフィックが促進された。

近年、絶縁体上のニオブ酸リチウムウエファプラットフォームは、高速光変調に不可欠な強いポッケルス係数により、フォトニック集積電気光学変調器の優れた材料として浮上している。それにもかかわらず、高コストと複雑な製造要件により、ニオブ酸リチウム(LN)は採用が広がらず、その商業的統合が制限されている。

タンタル酸リチウム(LiTaO3)は、LNの近縁種であり、これらの障壁を克服することが期待されている。同様の優れた電気光学品質を備えているが、通信業界によって5G無線周波数フィルタですでに広く使用されているため、スケーラビリティとコストの点でニオブ酸リチウムよりも優れている。

今回、EPFLのTobias J. Kippenberg教授とShanghai Institute of Microsystem and Information Technology(SIMIT)のXin Ou教授が率いる科学者たちは、タンタル酸リチウムをベースにした新しいPICプラットフォームを作成した。PICは、この材料の固有の利点を活用し、高品質のPICをより経済的に実行可能にすることで、この分野を変革することができる。このブレークスルーについて報告する論文が、Nature に掲載されている。

研究チームは、シリコン・オン・インシュレータの製造ラインに対応したタンタル酸リチウムのウェーハ接合方法を開発した。次に、薄膜タンタル酸リチウムウェーハをダイヤモンドライクカーボンでマスクし、光導波路、変調器、および超高品質係数マイクロ共振器のエッチングに進んだ。

エッチングは、深紫外(DUV)フォトリソグラフィとドライエッチング技術を組み合わせることによって達成され、当初はLN用に開発され、その後、より硬くて不活性なタンタル酸リチウムをエッチングするように慎重に調整された。この適応には、フォトニック回路の高性能化を実現するための重要な要素である光損失を最小限に抑えるためのエッチングパラメータの最適化が含まれていた。

このアプローチにより、研究チームは、通信波長でわずか5.6dB/mの光損失率を持つ高効率のタンタル酸リチウムPICを製造することができた。もう一つのハイライトは、今日の高速光ファイバ通信で広く使用されている電気光学マッハツェンダー変調器(MZM)である。タンタル酸リチウムMZMは、1.9 V cmの半波長電圧長積と40 GHzに達する電気光学帯域幅を提供する。

「高効率の電気光学性能を維持しながら、このプラットフォーム上でソリトンマイクロコムも生成した。これらのソリトンマイクロコムは、多数のコヒーレント周波数を特徴とし、電気光学変調機能と組み合わせると、パラレルコヒーレントLiDARやフォトニックコンピューティングなどのアプリケーションに特に適している」と、この研究の筆頭著者Chengli Wangは話している。

タンタル酸リチウムPICは複屈折率(屈折率が光の偏光と伝搬方向に依存すること)を低減するため、高密度の回路構成が可能になり、すべての通信帯域で幅広い動作能力が保証される。この研究は、高度な電気光学PICsのスケーラブルで費用対効果の高い製造への道を開く。