Attracting Tomorrow TDK
TDK Developing Technologies

次世代の光通信/光伝送システムに向けた光部品・モジュールの開発
TDKの光通信部品・モジュール開発の背景と技術

ECOC Exhibition 2018

2018年9月24日(月)~26日(水)
The Exhibition & Congress Centre of Rome, Italy 

ドイツ発の「インダストリー4.0」、日本発の「ソサエティ5.0」など、IoTやM2M、さらにはAI、VR技術などの活用により、新たなモノづくりやサービス、価値創出を目指す取り組みが、世界的に積極的に進められています。近未来には、インターネットやセンサ技術などを通じて、あらゆるモノが通信でつながる超スマート社会が到来すると予測されています。

TDKはコアテクノロジーである素材技術はじめ、HDDヘッドやDVD/BDなどの製造で培った薄膜プロセス技術、ウエハプロセス技術、多層化技術などを駆使して各種の光通信用部品を開発、これまでに数百万個にも及ぶ多数の光部品・デバイスを送り出し、FTTH(Fiber To The Home)の構築に貢献してきました。

さらに、TDKはエレクトロニクス技術とオプティクス技術の双方を有する強みを生かして、光通信ネットワークの分岐部などで使われるキーデバイスの小型化・モジュール化にも取り組んでいます。本記事では、その最新成果であるTDKのLN(LiNbO3:ニオブ酸リチウム)材料の応用可能性を拓く「LN薄膜」をご紹介いたします。

技術背景

光通信/光伝送システムの概要

インターネットの普及や大容量コンテンツの高速伝送などにより、爆発的に増加するトラフィックを処理するため、光通信ネットワークは新たな進化のステージを迎えています。また、クラウドコンピューティングや、今後のIoT、M2Mなどの発展に対応するため、データセンターでは通信機器や空調機が消費する膨大な電力の低減が課題となっており、高速・大容量伝送とともに低消費電力を特長とする光伝送システムの導入が進められています。

次世代の光通信/光伝送システムのパフォーマンスは、各種の光伝送装置とそこに使用される光部品の性能・品質にかかっているといっても過言ではありません。ネットワークやシステムが拡大するほど、光伝送装置は大規模化して設置数も増大するため、光伝送装置の小型・高密度実装による省スペース化や省電力化が、ますます重要になってきます。また、光部品もこれまでの個別部品の小型化ではなく、モジュール化やアレイ化、さらには光集積回路へと進化しています。

光通信ネットワークの構成を図1に示します。基幹となるバックボーンネットワークは、都市間をつなぐコアネットワークと都市圏規模のメトロネットワークで構成され、FTTH(Fiber To The Home)などの加入者のアクセスネットワークはメトロネットワークから分岐されます。

光通信システムにおいては、超高速・大容量伝送および省エネ・経済的なネットワークの構築に向けて、デジタルコヒーレント技術、DWDM(高密度波長多重)技術、ROADM(再構成可能な光分岐挿入装置)技術など、さまざまな先進技術が投入されています。

図1 光通信ネットワークの構成

DWDM : Dense Wavelength Division Multiplexing ROADM : Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer

図1 光通信ネットワークの構成

光通信システムの発展をもたらしたキーテクノロジー

光ファイバを利用した長距離通信は1970年代以降、実現可能になりました。半導体レーザ、フォトダイオードに続いて、低損失の光ファイバが発明され、光通信を可能にする3つの要素技術がそろったことによるものです。光通信システムは1980年代の第1世代、1990~2000年代の第2世代を経て、現在、第3世代のイノベーションが進行しています。
光通信システムの発展をもたらしたキーテクノロジーとして、以下のようなものがあります。

  • PLC(プレーナ光波回路:Planar Lightwave Circuit)
    屈折率の違いを利用した光ファイバと同様の光導波路を、LSI製造に用いられるフォトリソグラフィなどの技術により平坦な基板上に形成したのがPLCです。1980年代に基盤技術の研究が進められ、1990年代にはPLC技術をもとにAWG(アレイ導波路回折格子)などのPLCデバイスが開発されました。
  • 光増幅器/光ファイバ増幅器(EDFA)
    光ファイバはわずかながらも伝送損失があるため、長距離伝送では中継器による信号の増幅が必要です。光増幅器は光信号を電気信号に変換することなく、光のままで信号レベルを増幅するデバイス。エルビウム(Er)を添加した光ファイバを用いたものはEDFAと呼ばれます。太平洋横断光ケーブルなどの長距離伝送を可能にした技術です。
  • WDM(Wavelength Division Multiplexing:波長分割多重)技術
    1本の光ファイバの中に、さまざまな波長の信号を多重(合波)して伝送する技術で、これをさらに向上させたのがDWDM(Dense WDM:高密度波長分割多重)技術です。この技術より1本の光ファイバでもきわめて大容量のデータ伝送が可能になりました。
  • AWG(Arrayed Waveguide Grating:アレイ導波路回折格子)
    WDM/DWDM技術によって多重(合波)された信号は、受信側でもとの複数の波長の光に分離(分波)する必要があります。この合分波器としての役割を担う光デバイスがAWGです。1990年代にPLC技術によって開発されました。
  • ROADM(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer)
    再構成可能な光分岐挿入装置。光ファイバの通信ネットワーク上に、個別の波長の光信号の経路となる光パスを、ソフトウェアにより瞬時・自在に形成するデバイス。光パスの分岐(Drop)・挿入(Add)・通過(Thru)といった処理を遠隔制御して、仮想的な迂回路や新設網などを形成できるため、通信ネットワークを柔軟かつ効率的に運用でき、大容量のデータの高速伝送を可能にします。
  • OXC(Optical Cross Connect)
    ROADMを発展させたネットワーク接続技術。メッシュ状のコアネットワークの分岐部などで、大規模な光スイッチなどを採用し、大容量の信号を光のままクロスコネクトする装置。
  • デジタルコヒーレント(Digital Coherent)光伝送技術
    先進のデジタル信号処理(DSP)技術などを光通信方式に取り入れることで、1本の光ファイバで高信頼性の長距離超大容量伝送を可能にする技術。近未来の光通信ネットワークの実現に向けてのキーテクノロジーの一つです。
  • WSS(Wavelength Selective Switch:波長選択スイッチ)
    波長多重された光信号を波長ごとに異なる出力ポートに、ミリ秒オーダーで切り替え・振り分ける光デバイス。合分波器、MEMSミラー、入出力ファイバなどで構成されます。ROADMの高機能化に期待される先進技術です。

さまざまな技術革新を経て、FTTHも2000年以降、急速に普及するようになり、光通信ネットワークはICT社会を支える通信インフラとして発展を遂げました。光通信技術の進化と伝送容量の変遷を図2に示します。

図2 光通信技術の進化と伝送容量の変遷

図2 光通信技術の進化と伝送容量の変遷

光通信/光伝送システムを支えるさまざまな光部品・デバイス

コアネットワークやメトロネットワークから枝葉を広げるように光通信ネットワークが拡大し、クラウドコンピューティングとともにデータセンターなどでの光伝送システムも発展していくと、半導体レーザ、フォトダイオード、光ファイバという基本要素のほかに、接続部や分岐部、増幅部などに使用される光部品・デバイスの性能や品質、信頼性がきわめて重要になります。
光通信/光伝送システムを支える主な光部品・デバイスとして次のようなものがあります。

表1 光通信システムに使用される主な光部品・光受動部品(パッシブデバイス)
光コネクタ 光ファイバの接続は微細なコア部を突き合わせて、接続されます。光コネクタは光ファイバ端に取り付けて、調芯と接続作業を容易にする光部品です。
光スプリッタ 1本の光ファイバから複数の光ファイバに分岐するための光部品。FTTHなどでは、1x32スプリッタ、1×8スプリッタ、1×4スプリッタが多用されています。
光アイソレータ 光通信システムの接続部などの界面において光が反射して戻り光となると、誤動作やノイズの原因となります。これを防ぐために、光の一方通行路をつくる役割を担うのが光アイソレータです。
光スイッチ 光信号の光路を切り替える光部品。機械的に切り替えたり、電気光学効果や熱光学効果などが利用されます。
光合波器/
光分波器
1本の光ファイバに複数の波長の光信号を合波したり、伝送されてきた光信号を分波して、複数の波長の信号を別々に取り出します。WDM(波長多重)/DWDM(高密度WDM)システムにおいて、きわめて重要な光部品です。
光集積回路 基板上に半導体レーザや光スイッチなどの複数の部品を集積したデバイス。CVD法やフォトリソグラフィなど、LSIの製造技術が利用されます。
光ファイバアレイ 複数の光ファイバを高精度で整列させ、光スプリッタの光導波路などと接続するための光部品です。伝送損失に関わるために、きわめて高度な精密加工技術やアセンブリ技術が求められます。
光変調器 電気信号を光信号に変換するデバイス。LN(ニオブ酸リチウム)などの強誘電体やEOポリマーなどの電気光学効果などが利用されます。
Tap-PDモジュール 光ファイバから送られる入力光の一部を分岐(Tap)させて、フォトディテクタ(PD)で光信号の強度を測定する光パワーモニタ。アレイ化による小型モジュールのニーズが高まっています。

光部品・デバイス技術におけるTDKの強み

数百万個の光部品を納入してFTTHの構築に貢献

TDKでは1990年代の初めより、光アイソレータをはじめとする各種光部品を製品化してきました。
光アイソレータはファラデー回転という現象を利用し、反射光(戻り光)の影響をなくして順方向の光のみを通過させます。光スプリッタなどとともに、さまざまな光通信システムに採用され、FTTHの構築にも大きく貢献してきました。

光部品・デバイスの製品化には、電子部品の製造とは異なる多様な技術が要求されます。素材技術プロセス技術評価・シミュレーション技術デバイス&モジュール技術生産技術など、長年にわたり蓄積した総合的なコアテクノロジーを有しているのがTDKの強みです。

光通信/光伝送技術をサポートするTDKの技術を以下にまとめてご紹介します。

  • コアテクノロジーを結集したTDKならではの総合技術力
    HDDヘッドはきわめて高度な薄膜プロセス技術により、ナノメートルオーダーのヘッド素子をウエハ上に形成して製造されます。TDKでは次世代HDDヘッドとして、レーザ搭載型の熱アシスト磁気記録ヘッドの製品化も進めています。
    » TDKの5つのコアテクノロジー

    図9 HDDヘッドのTMR素子の構造および熱アシスト磁気記録の原理

    図3 HDDヘッドのTMR素子の構造および熱アシスト磁気記録の原理

  • QCD(品質・コスト・納期)をきわめた生産技術
    光通信/光伝送システムでは、ネットワーク/システムの拡大とともに分岐部も多くなり、そこに使用される光部品・デバイスの品質・性能が、ネットワーク/システム全体のパフォーマンスを左右することになります。HDDヘッドや積層セラミックチップコンデンサなどの電子部品・デバイスの製造を通じて、QCD(品質・コスト・納期)をきわめたTDKの生産技術が、光ファイバアレイをはじめとする高品質・高信頼性の光部品・デバイスを提供します。
  • 製造・検査装置の高い内製率
    TDKではコンデンサやインダクタをはじめとする電子部品・デバイスの独自工法の開発とともに、それらを製品化するための製造装置の多くを内製してきました。各種光部品・デバイスの開発にあたっても、多くの製造装置や検査装置の内製化を進めています。

TDKがチャレンジする次世代光部品・光モジュール

インターネットやスマートフォンなどの普及、IoTやM2Mの進展などにより、通信トラフィックが爆発的に増加し、それに対応するために光通信システムはテラビット(Tbps)伝送、ペタビット(Pbps)伝送の時代に移行しつつあります。また、データセンターやハイパフォーマンス・コンピュータ(HPC)においても、電気信号を伝送する配線がボトルネックとなっているため、装置や回路間を光伝送で結ぶソリューションが進行し、シリコンフォトニクス(Siフォトニクス)技術をはじめとする先進技術にさらなる期待が寄せられています。
次世代の光通信/光伝送システムに向けて、光部品・デバイスには小型化・高集積化・省エネ化とともに、すぐれた品質・性能・信頼性が求められています。
HDDヘッドやDVD/BDの製造で培った薄膜プロセス技術やウエハプロセス技術、多層化技術、ナノメートルオーダーの超精密加工技術、マイクロオプティクス部品の高精度実装技術などを駆使して開発されたのが、「LN結晶薄膜」です。次世代の高速・大容量の光通信/光伝送デバイスの小型化・省スペース・低コスト化に大きく貢献します。

光変調器や光スイッチなどに多用されている光学材料LN(LiNbO3:ニオブ酸リチウム)を、単結晶引き上げ法ではなく、薄膜プロセスで実現したのが「LN結晶薄膜」。引き上げ法と比べて量産性やコスト面にすぐれるとともに、LN薄膜は半導体や他の薄膜電子部品とも親和性が高く、光部品・デバイスばかりでなく、さまざまな分野での応用が期待できます。

お問い合わせ、サンプル提供などについて

お客様のさまざまなニーズに対応いたします

「LN薄膜」についてのお問い合わせ、特性や仕様、形状のカスタマイズなどのご相談は下記のお問い合わせ窓口よりお気軽にご連絡ください。

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LN(ニオブ酸リチウム)材料の応用可能性を拓く
1.5μm厚・高品質「LN結晶薄膜」

強誘電体のLN(LiNbO3:ニオブ酸リチウム)は、その特異な性質から、さまざまな製品に活用されています。TDKでは、サファイア基板に1.5μm厚の高品質「LN結晶薄膜」をエピタキシャル成長させる技術を確立しました。従来の使われ方とは異なるユニークな応用分野を切り拓く可能性を秘めています。

TDK「LN結晶薄膜」の主な特長・用途

《主な特長》

  • サファイア基板にエピタキシャル成長
  • クラックや粒界なしに膜厚1μmを実現
  • 少ない曲げ損失
  • バルク単結晶と同等の特性

《主な用途》

  • 光スイッチ、光導波路デバイス、波長変換器、光偏向器などのオプティクス製品
  • SAWフィルタ、AO(音響工学)フィルタ
  • 強誘電体メモリ(FRAM)
  • 光ファイバージャイロスコープ(FOG)、光電界センサなど、各種センサ用途
  • その他

※TDKの「LN結晶薄膜」は、従来にはないアプリケーションを可能にするユニークな材料です。TDKでは、お客様の製品開発にお役に立つことのできる多様な技術、プロセスデザインを有しており、魅力的な応用を探しています。ぜひ、ご提案ください。また、お客様のご要望に応じた、膜厚や特性などをご提供できますので、お気軽にお問い合わせください。

EO特性、ピエゾ特性に優れるLN(ニオブ酸リチウム)材料への期待

電気信号を光信号に変換する光変調器には、LNと通称される強誘電体のニオブ酸リチウム(LiNbO3)の特異な性質が利用されています。ある種の透明な結晶においては、電界が印加されると屈折率が変化するものがあります。この現象を電気光学効果(EO効果)といい、このうち電界の強さに比例して屈折率が変化する現象はポッケルス効果と呼ばれます。LN結晶はポッケルス効果の指標となる電気光学定数が大きく、光変調器や光スイッチなどの各種光学デバイスに多用されています。
これらの光学デバイスに向けたLN素子は、チョクラルスキー法と呼ばれる引き上げ法によって作成されたLN単結晶のインゴットを、数100μm厚のウエハとして切り出したものが使用されてきました。しかし、ほど良い厚みをもつLN素子の量産は高コストだったため、活用も狭い範囲に限られていました。
ほど良い厚みをもつ高品質のLN結晶素子を低コストで量産する技術ができれば、ユニークな応用分野を切り拓く可能性が期待できます。

LN結晶薄膜をエピタキシャル成長させる技術を確立

そこで、TDKが新開発したのが「LN結晶薄膜」です。HDDヘッドやDVD/BDなどの光学ディスクなどの製造で培った薄膜プロセス技術を応用し、サファイア基板にLN薄膜をエピタキシャル成長させることで、バルク単結晶と同等の特性をもつきわめて高品質のLN結晶薄膜を作成することに成功しました。
通常、エピタキシャルで作成される薄膜の厚みは数nm~数100 nmオーダーですが、TDKのLN結晶薄膜は、各種デバイスへの応用を見据えて1.5μm厚を実現しました。これはバルク単結晶からの切り出しでは不可能な“薄さ”であるとともに、多様な応用を可能にする “厚み”の薄膜です。また、LN結晶薄膜は半導体や他の薄膜部品などと親和性が高いのもメリットです。

光変調器や光スイッチなどのオプティクス分野ほか、圧電性を利用したSAWフィルタ、強誘電体としての性質を利用した不揮発性メモリのFRAMなど、LN結晶素子はその特異な性質により、さまざまな分野で活用されています。TDKが開発したLN結晶薄膜は、従来は用いられなかったユニークな応用分野を切り拓く可能性を秘めています。

曲げ損失も少なく光導波路デバイスなどに最適

4インチ径のサファイア基板を用いたTDKのLN薄膜のサンプル例を図8に示します。LN結晶はイルメナイト構造の三方晶系結晶で、このサンプルは基板面に垂直な方向に、結晶のc軸が配向された薄膜となっています。LN結晶薄膜は2つLN単結晶が対称的に結合した双晶(twin)状態で成長していくため、X線回折では3回対称×2の回折ピークが測定されます。図8の極点図(回折強度分布)は、膜厚1.5μmにも及ぶ高堆積にもかかわらず、きわめて良好な結晶性のLN薄膜であることを示しています。

図8 TDKが新開発したLN薄膜

図8 TDKが新開発したLN薄膜

図8のTEM(透過型電子顕微鏡)画像は、LN結晶薄膜の断面の双晶境界(twin boundary)をとらえたものです。薄膜成長法では膜厚が薄い間はエピタキシャル成長をしていても、膜厚が増加すると、原子の配列が乱れて粒界(grain boundary)が形成され、多結晶体となることがあります。粒界は特性に悪影響を及ぼす要因となりますが、TDKのLN薄膜は多結晶体にみられる粒界は存在しません。また、単結晶のインゴットから切り出すLNウエハで問題になるクラックの発生もなく、きわめて高品質です。曲げ損失もきわめて少なく、光導波路デバイスなどに最適です。

さらに、LNウエハでは仕上げ工程でラッピングやポリッシングなどの研磨工程を必要としますが、TDKのLN結晶薄膜は研磨工程が不要です。また、薄膜プロセスで製造されるので、半導体や他の薄膜部品との一体化など、デバイスの小型化・多機能化・モジュール化に適しているのもメリットです。

TDKのLN結晶薄膜は、従来とは異なるアプローチからのアプリケーションを可能にするユニークな材料です。クラックや粒界などの欠陥なしに、高品質のLN結晶薄膜を1.5μmの厚みで作成する技術の確立により、LN材料の応用の可能性が大きく広がりました。

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