Modulador electroóptico de niobato de litio de película delgada de alta integración

Alta linealidadmodulador electroópticoy aplicación de fotones de microondas
Ante las crecientes exigencias de los sistemas de comunicación, y con el fin de mejorar aún más la eficiencia de transmisión de señales, se fusionarán fotones y electrones para lograr ventajas complementarias, dando lugar a la fotónica de microondas. El modulador electroóptico es necesario para la conversión de electricidad en luz.sistemas fotónicos de microondasEste paso clave suele determinar el rendimiento de todo el sistema. Dado que la conversión de la señal de radiofrecuencia al dominio óptico es un proceso de señal analógica, y ordinariamoduladores electroópticosDebido a su no linealidad inherente, se produce una distorsión significativa de la señal durante la conversión. Para lograr una modulación aproximadamente lineal, el punto de operación del modulador se fija generalmente en el punto de polarización ortogonal, pero aun así no cumple con los requisitos de linealidad del enlace de fotones de microondas. Se necesitan urgentemente moduladores electroópticos de alta linealidad.

La modulación de alta velocidad del índice de refracción de los materiales de silicio se logra generalmente mediante el efecto de dispersión de plasma de portadores libres (FCD). Tanto el efecto FCD como la modulación de la unión PN son no lineales, lo que hace que el modulador de silicio sea menos lineal que el modulador de niobato de litio. Los materiales de niobato de litio presentan excelentes propiedades.modulación electroópticaLas propiedades del niobato de litio se deben a su efecto de plegamiento. Al mismo tiempo, el material presenta ventajas como un gran ancho de banda, buenas características de modulación, bajas pérdidas, fácil integración y compatibilidad con los procesos de semiconductores. El uso de películas delgadas de niobato de litio para fabricar moduladores electroópticos de alto rendimiento, en comparación con el silicio, prácticamente elimina el cortocircuito y logra una alta linealidad. Los moduladores electroópticos de niobato de litio (LNOI) sobre aislantes se han convertido en una prometedora línea de desarrollo. Con el desarrollo de la tecnología de preparación de películas delgadas de niobato de litio y la tecnología de grabado de guías de onda, la alta eficiencia de conversión y la mayor integración de estos moduladores se han convertido en un campo de interés para la academia y la industria a nivel internacional.

Características de la película delgada de niobato de litio
En Estados Unidos, el programa DAP AR ha realizado la siguiente evaluación sobre los materiales de niobato de litio: si el centro de la revolución electrónica lleva el nombre del silicio que la hizo posible, entonces es probable que la cuna de la revolución fotónica lleve el nombre del niobato de litio. Esto se debe a que el niobato de litio integra en un solo material los efectos electroóptico, acustoóptico, piezoeléctrico, termoeléctrico y fotorrefractivo, al igual que los materiales de silicio en el campo de la óptica.

En cuanto a las características de transmisión óptica, el material InP presenta la mayor pérdida de transmisión en chip debido a la absorción de luz en la banda de 1550 nm, de uso común. El SiO₂ y el nitruro de silicio presentan las mejores características de transmisión, con pérdidas que alcanzan el nivel de ~0,01 dB/cm. Actualmente, la pérdida en guías de onda de niobato de litio de película delgada puede llegar a 0,03 dB/cm, y se prevé que esta pérdida se reduzca aún más con el continuo avance tecnológico. Por lo tanto, el niobato de litio de película delgada ofrece un buen rendimiento para estructuras de iluminación pasiva, como la ruta fotosintética, derivaciones y microrresonadores.

En cuanto a la generación de luz, solo el InP tiene la capacidad de emitir luz directamente. Por lo tanto, para la aplicación de fotones de microondas, es necesario introducir la fuente de luz basada en InP en el chip fotónico integrado basado en LNOI mediante soldadura por realimentación o crecimiento epitaxial. En cuanto a la modulación de la luz, como se mencionó anteriormente, el niobato de litio en película delgada permite obtener con mayor facilidad un mayor ancho de banda de modulación, una menor tensión de media onda y menores pérdidas de transmisión que el InP y el Si. Además, la alta linealidad de la modulación electroóptica del niobato de litio en película delgada es fundamental para todas las aplicaciones de fotones de microondas.

En cuanto al enrutamiento óptico, la respuesta electroóptica de alta velocidad del niobato de litio de película delgada permite que el interruptor óptico basado en LNOI realice una conmutación de enrutamiento óptico de alta velocidad con un consumo energético muy bajo. Para la aplicación típica de la tecnología fotónica de microondas integrada, el chip de formación de haces controlado ópticamente ofrece la capacidad de conmutación de alta velocidad necesaria para el escaneo rápido del haz, y su consumo energético ultrabajo se adapta perfectamente a los estrictos requisitos de los sistemas de antenas en fase a gran escala. Si bien el interruptor óptico basado en InP también permite la conmutación de rutas ópticas de alta velocidad, introduce un nivel elevado de ruido, especialmente al conectar en cascada interruptores ópticos multinivel, donde el coeficiente de ruido se deteriora considerablemente. Los materiales de silicio, SiO₂ y nitruro de silicio solo pueden conmutar rutas ópticas mediante el efecto termoóptico o el efecto de dispersión de portadores, lo que conlleva un alto consumo energético y una baja velocidad de conmutación. Cuando el tamaño de la antena en fase es grande, no se cumplen los requisitos de consumo energético.

En términos de amplificación óptica, laamplificador óptico semiconductor (SOALa tecnología basada en InP ha alcanzado la madurez para su uso comercial, pero presenta las desventajas de un alto coeficiente de ruido y una baja potencia de salida de saturación, lo que dificulta su aplicación en el procesamiento de fotones de microondas. El proceso de amplificación paramétrica de la guía de onda de niobato de litio de película delgada, basado en la activación e inversión periódicas, permite obtener una amplificación óptica en chip de bajo ruido y alta potencia, satisfaciendo así los requisitos de la tecnología integrada de fotones de microondas para la amplificación óptica en chip.

En cuanto a la detección de luz, la película delgada de niobato de litio presenta buenas características de transmisión de luz en la banda de 1550 nm. Sin embargo, no permite la conversión fotoeléctrica, por lo que, para aplicaciones de fotones de microondas, se requiere la introducción de unidades de detección de InGaAs o Ge-Si en chips fotónicos integrados basados ​​en LNOI mediante soldadura por realimentación o crecimiento epitaxial para satisfacer las necesidades de conversión fotoeléctrica en el chip. Respecto al acoplamiento con fibra óptica, dado que esta está compuesta de SiO₂, el campo modal de la guía de onda de SiO₂ presenta el mayor grado de coincidencia con el campo modal de la fibra óptica, lo que facilita el acoplamiento. El diámetro del campo modal de la guía de onda de niobato de litio de película delgada, con una restricción significativa, es de aproximadamente 1 μm, valor considerablemente diferente al del campo modal de la fibra óptica; por lo tanto, es necesario realizar una transformación adecuada del punto modal para lograr la coincidencia con el campo modal de la fibra óptica.

En términos de integración, el potencial de integración de diversos materiales depende principalmente del radio de curvatura de la guía de onda (afectado por la limitación del campo modal de la guía). Una guía de onda con restricciones significativas permite un radio de curvatura menor, lo que favorece una alta integración. Por lo tanto, las guías de onda de niobato de litio de película delgada tienen el potencial de lograr una alta integración. Así, la aparición del niobato de litio de película delgada permite que este material desempeñe el papel de un "silicio" óptico. Para aplicaciones con fotones de microondas, las ventajas del niobato de litio de película delgada son aún más evidentes.