[論文レビュー] Lithium tantalate electro-optical photonic integrated circuits for high volume manufacturing

Chengli Wang, Zihan Li+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、5G/6G用音響フィルタに既に大量生産されているインダストリアルインfraストラクチャを活用して、リチウム tantalate (LiTaO₃) を用いたスケーラブルで低コストの高機能エレクトロオプティカル光集積回路 (PIC) の製造プラットフォームを実証している。著者らは、5.6 dB/mの低伝送損失、4.2 V·cmのVπLプロダクト、O帯からL帯にわたるブロードバンド動作を達成し、X面切りLiTaO₃で30.1 GHzのソリトンマイクロコム生成を実現した。これにより、高速通信および量子フォトニクス分野への応用が可能となる。

ABSTRACT

Photonic integrated circuits based on Lithium Niobate have demonstrated the vast capabilities afforded by material with a high Pockels coefficient, allowing linear and high-speed modulators operating at CMOS voltage levels for applications ranging from data-center communications and photonic accelerators for AI. However despite major progress, the industrial adoption of this technology is compounded by the high cost per wafer. Here we overcome this challenge and demonstrate a photonic platform that satisfies the dichotomy of allowing scalable manufacturing at low cost, while at the same time exhibiting equal, and superior properties to those of Lithium Niobate. We demonstrate that it is possible to manufacture low loss photonic integrated circuits using Lithium Tantalate, a material that is already commercially adopted for acoustic filters in 5G and 6G. We show that LiTaO3 posses equally attractive optical properties and can be etched with high precision and negligible residues using DUV lithography, diamond like carbon (DLC) as a hard mask and alkaline wet etching. Using this approach we demonstrate microresonators with an intrinsic cavity linewidth of 26.8 MHz, corresponding to a linear loss of 5.6 dB/m and demonstrate a Mach Zehnder modulator with Vpi L = 4.2 V cm half-wave voltage length product. In comparison to Lithium Niobate, the photonic integrated circuits based on LiTaO3 exhibit a much lower birefringence, allowing high-density circuits and broadband operation over all telecommunication bands (O to L band), exhibit higher photorefractive damage threshold, and lower microwave loss tangent. Moreover, we show that the platform supports generation of soliton microcombs in X-Cut LiTaO3 racetrack microresonator with electronically detectable repetition rate, i.e. 30.1 GHz.

研究の動機と目的

• 5G/6Gフィルタ用途で既に大量生産されているリチウム tantalate (LiTaO₃) を採用することで、リチウム niobate (LiNbO₃) を用いたフォトニクス集積回路 (PIC) の高コストおよび限られたウェーハサイズの課題を克服すること。
• 既存の産業インfraストラクチャおよびウェーハスケールプロセスを活用して、スケーラブルで低コストの高機能エレクトロオプティカルPICの製造を実現すること。
• LiNbO₃と比較して、LiTaO₃ベースのPICにおいて低伝送損失、低バイレフリンジンクス、高光起電力ダメージ耐性、低マイクロ波損失タンジェントを達成すること。
• O帯からL帯（1260–1620 nm）にわたるブロードバンド動作を実現し、バイレフリンジンクス低減によるモード混合の抑制を実現すること。
• X面切りLiTaO₃でソリトンマイクロコム生成を実証し、マイクロ波フォトニクスおよび量子技術分野への応用を可能とすること。

提案手法

• 150 mmおよび200 mmの基板プラットフォームを用いて、スマートカットプロセスによりリチウム tantalate on insulator (LTOI) ウェーハを形成する。
• ダイヤモンドライクカーボン (DLC) をハードマスクとして用い、深紫外線 (DUV) リトグラフィーを実施し、LiTaO₃波導体の高精度パターニングを実現する。
• アルカリ性ウェットエッチングを採用することで、残留物のないサイドウォールを実現し、波導内の伝送損失を最小限に抑える。
• トラベルイングウェーブモジュレータ用に厚みがあり高品質な金属電極を形成することで、低VπLプロダクト動作を実現する。
• 基板ボンディング、パターニング、エッチング、電極堆積を統合した完全なウェーハスケールプロセスフローを採用する。
• 電気スペクトラムアナライザーおよびマイクロコムからのマイクロ波ビートノートの光検出を用いて、光学およびマイクロ波特性を評価する。

Figure 1: Lithium-tantalate-on-insulator (LTOI) substrates and optical waveguides. (a) Crystallographic unit cell of $\mathrm{LiTaO}_{3}$ . (b) Colorized SEM of LTOI ring resonator. (c) Colorized scanning electron micrograph (SEM) of etched LTOI (blue) waveguide and sidewall. (d) Colorized SEM cross

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の大量生産インfraストラクチャを活用して、リチウム tantalate (LiTaO₃) を用いて低損失・高機能エレクトロオプティカルフォトニクス集積回路 (PIC) を製造可能か？
• RQ2 LiTaO₃は、スケーラブルなPIC用途において、リチウム niobate (LiNbO₃) と同等または優れたエレクトロオプティカルおよび光学特性を示すか？
• RQ3 X面切りLiTaO₃でソリトンマイクロコム生成が可能か？ また、得られるマイクロ波ビートノートの位相ノイズ性能はいかほどか？
• RQ4 LiTaO₃の低バイレフリンジンクスは、O帯からL帯にわたるブロードバンド・シングルモード動作をどの程度可能にするか？
• RQ5 LiTaO₃の低誘電損失タンジェントは、超伝導量子プロセッサ向けの高精度量子変換を支援できるか？

主な発見

• 著者らは、DLCハードマスクを用いた高精度なDUVリトグラフィーとアルカリ性ウェットエッチングにより、LiTaO₃波導体で5.6 dB/mの伝送損失を達成した。
• VπLプロダクトが4.2 V·cmのマハーズェンダーモジュレータが実現され、CMOS互換動作に適した高いエレクトロオプティカル効率を示した。
• マイクロレゾネータは、26.8 MHzの固有線幅を示し、品質因子は約1.1×10⁶に相当し、低光学損失を示した。
• X面切りLiTaO₃レーシングトラックマイクロレゾネータでソリトンマイクロコム生成が達成され、繰り返し周波数は30.1 GHzであった。これにより、直接的な電子的検出が可能となった。
• マイクロ波ビートノートの位相ノイズは、10 kHzオフセットで−86 dBc/Hz、1 MHzオフセットで−114 dBc/Hzを示し、Si₃N₄およびZ面切りLiNbO₃の先行研究を上回る性能を示した。
• バイレフリンジンクスとモード混合の抑制により、O帯からL帯（1260–1620 nm）にわたる全帯域でブロードバンド・シングルモード動作が可能となった。

Figure 2: Optical characterization of $\mathrm{LiTaO}_{3}$ photonic integrated circuits. (a) Wafer-scale map of mean intrinsic loss $\kappa_{0}/2\pi$ for similar resonators fabricated using DUV stepper lithography. (b) Normalized resonance transmission spectrum of optical racetrack microresonator at