異種集積されたリチウムタンタレート／窒化ケイ素モジュレータによる高速通信

小さなチップでより速いインターネット

ストリーミング、クラウドコンピューティング、人工知能はすべて、光ファイバーを介して膨大な量の情報を移動させることに依存しています。しかし、電子ビットを光の点滅に変換する微小デバイスは対応が追いつかなくなりつつあります。本研究は、リチウムタンタレートと窒化ケイ素という二つの異なる材料を組み合わせた新しいタイプのチップ上“光スイッチ”を紹介し、損失を低く抑えつつ製造のスケーラビリティを保ちながら数百ギガビット毎秒のデータレートを実現します。

なぜ新しい光スイッチが必要か

現代の通信網はフォトニック集積回路に依存しており、これらは電気の代わりに光を導く小さな「光のマザーボード」です。窒化ケイ素は、チップ上で光を長距離ほとんど損失なく伝送でき、高い光パワーにも耐えられるため、これら回路にとって重要な材料です。しかし単体の窒化ケイ素は、電気信号を印加した際に光の強度や位相を効率的に変化させる能力が乏しく、データを符号化する上で必要な機能を満たせません。これを補うため、研究者はリチウムタンタレートのような強誘電体結晶に注目しています。これらはポッケルス効果と呼ばれる現象により電界に即座に応答し、光の超高速変調を可能にします。

ハイブリッドフォトニックプラットフォームの構築

研究チームは、薄膜リチウムタンタレートを既製の窒化ケイ素導波路上にウエハースケールで直接接合するプロセスを開発しました。まず、いわゆるダマスケンプロセスを用いて低損失で光閉じ込めの強い滑らかな窒化ケイ素回路を作製します。別にリチウムタンタレート絶縁基板（LTOI）を準備し、慎重な表面洗浄と活性化の後、二つのウエハーを接触させて分子間力で結合させ、続く加熱処理で接合を強化します。その後、リチウムタンタレート下のシリコン支持基板を除去し、攻撃的なエッチングを行うことなく、窒化ケイ素導波路上に正確に整列した薄い強誘電体層を露出させます。これにより材料損傷や電気的損失の増加を避けられます。

電気を超高速の光信号に変える

このハイブリッドプラットフォーム上で、研究者は金属電極をパターニングしてマッハ–ツェンダー変調器やより複雑なインフェーズ／クアドラチャ（IQ）変調器を作製します。これらのデバイスでは、レーザーからの光が二つの経路を通り、リチウムタンタレート層にかけられた小さな電圧変化で干渉が制御されます。変調器は電圧長積（V·cm）が約4 V·cmと小さく、数ミリメートル程度のデバイス長で適度な駆動電圧により強い変調効果を生み出せます。応答は約100ギガヘルツ付近までフラットで、非常に急速な電気変化に追従できることを示しています。重要なのは、ハイブリッド導波路が約14 dB/mという低い光学損失を維持し、定常バイアス下での動作も安定しており、過去の一部の強誘電体変調器で問題となっていた時間経過による大きなドリフトがほとんど観測されない点です。

データレートを新たな水準へ押し上げる

実際の通信環境でこれらの変調器が何を達成できるかを試すため、チームは光ファイバー上で高度な光信号を送信しました。単一の強度変調器を用いて4レベルのパルス振幅信号で駆動したところ、現実的な誤り訂正符号を考慮した正味データレートで最大333ギガビット毎秒に到達しました。IQ変調器を用いた場合は、光の振幅と位相の両方を制御する16状態の直交振幅変調（16-QAM）信号を送信し、ラインレートで最大704ギガビット毎秒、正味データレートで最大581ギガビット毎秒を達成しました。これらの数値は、多くの既存の集積プラットフォームと競合、あるいは上回るものであり、低損失の窒化ケイ素基盤を活かしている点が特徴です。

将来のネットワークにとっての意義

低損失で成熟した窒化ケイ素フォトニック回路の製造技術と、薄膜リチウムタンタレートの超高速電気光学応答を組み合わせることで、本研究はより高速で効率的な光リンクへの実用的な道筋を示します。ハイブリッドデバイスはウエハー全体で高い歩留まりで生産可能なため、大規模展開に適しています。インターネットバックボーンやデータセンターの高速化にとどまらず、同じプラットフォームは小型のマイクロ波–光変換器、高精度レーザーシステム、次世代のライダーセンサーなどの基盤にもなり得ます。簡潔に言えば、精密に設計された材料スタックにより、受動的な光導波チップを能動的で高速な情報処理エンジンへと変えることができる、ということを示しています。

引用: Cai, J., Kotz, A., Larocque, H. et al. Heterogeneously integrated lithium tantalate-on-silicon nitride modulators for high-speed communications. Nat Commun 17, 3314 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69769-3

キーワード: フォトニック集積回路, 電気光学変調器, 窒化ケイ素, リチウムタンタレート, 高速光通信