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

Alta linealidadmodulador electroópticoy aplicación de fotones de microondas
Con las crecientes exigencias de los sistemas de comunicación, para mejorar aún más la eficiencia de transmisión de señales, se fusionarán fotones y electrones para lograr ventajas complementarias, y así nacerá 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 la señal ordinaria...moduladores electroópticosDebido a su no linealidad inherente, existe una grave distorsión de la señal durante el proceso de conversión. Para lograr una modulación aproximadamente lineal, el punto de operación del modulador suele fijarse en el punto de polarización ortogonal, pero aún así no cumple con los requisitos de linealidad del enlace de fotones de microondas. Se necesitan con urgencia moduladores electroópticos con alta linealidad.

La modulación del índice de refracción de alta velocidad de los materiales de silicio se suele lograr 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 una excelentemodulación electroópticaPropiedades debido a su efecto Pucker. Al mismo tiempo, el material de niobato de litio tiene las ventajas de un gran ancho de banda, buenas características de modulación, baja pérdida, fácil integración y compatibilidad con el proceso de semiconductores, el uso de niobato de litio de película delgada para hacer modulador electroóptico de alto rendimiento, en comparación con el silicio casi sin "placa corta", pero también para lograr una alta linealidad. El modulador electroóptico de niobato de litio de película delgada (LNOI) en aislante se ha convertido en una dirección de desarrollo prometedora. Con el desarrollo de la tecnología de preparación de material de niobato de litio de película delgada y la tecnología de grabado de guías de onda, la alta eficiencia de conversión y la mayor integración del modulador electroóptico de niobato de litio de película delgada se han convertido en el campo de la academia y la industria internacionales.

Características del niobato de litio de película delgada
En Estados Unidos, la planificación de DAP AR ha realizado la siguiente evaluación de los materiales de niobato de litio: si el núcleo de la revolución electrónica lleva el nombre del material de silicio que la hace 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 efectos electroópticos, acústico-ópticos, piezoeléctricos, termoeléctricos y fotorrefractivos en uno, al igual que los materiales de silicio en el campo de la óptica.

En términos de 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, comúnmente utilizada. El SiO₂ y el nitruro de silicio presentan las mejores características de transmisión, con pérdidas que pueden alcanzar ~0,01 dB/cm. Actualmente, la pérdida de guía de onda de película delgada de niobato de litio puede alcanzar los 0,03 dB/cm, y esta pérdida podría reducirse aún más gracias a la mejora continua del nivel tecnológico en el futuro. Por lo tanto, el material de película delgada de niobato de litio mostrará un buen rendimiento en estructuras de luz pasiva, como la ruta fotosintética, la derivación y el microanillo.

En términos de 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 integrado fotónico basado en LNOI mediante soldadura por carga posterior o crecimiento epitaxial. En cuanto a la modulación de la luz, se ha destacado anteriormente que el material de niobato de litio de película delgada permite lograr un mayor ancho de banda de modulación, un menor voltaje de media onda y una menor pérdida de transmisión que el InP y el Si. Además, la alta linealidad de la modulación electroóptica de los materiales de niobato de litio de película delgada es esencial para todas las aplicaciones de fotones de microondas.

En términos de enrutamiento óptico, la respuesta electroóptica de alta velocidad del material de niobato de litio de película delgada permite que el interruptor óptico basado en LNOI realice conmutación de enrutamiento óptico a alta velocidad, con un consumo de energía muy bajo. Para aplicaciones típicas de tecnología de fotones de microondas integrados, el chip de formación de haz con control óptico ofrece la capacidad de conmutación de alta velocidad para satisfacer las necesidades de escaneo rápido del haz, y su consumo de energía ultrabajo se adapta bien a los estrictos requisitos de los sistemas de arreglos en fase a gran escala. Si bien el interruptor óptico basado en InP también puede realizar conmutación de trayectoria óptica a alta velocidad, introduce un alto nivel de ruido, especialmente cuando el interruptor óptico multinivel está en cascada, lo que reduce considerablemente el coeficiente de ruido. Los materiales de silicio, SiO₂ y nitruro de silicio solo pueden conmutar trayectorias ópticas mediante el efecto termoóptico o el efecto de dispersión de portadoras, lo que presenta las desventajas de un alto consumo de energía y una baja velocidad de conmutación. Cuando el tamaño del arreglo en fase es grande, no puede satisfacer los requisitos de consumo de energía.

En términos de amplificación óptica, laamplificador óptico semiconductor (SOA) basado en InP ha alcanzado su madurez comercial, pero presenta las desventajas de un alto coeficiente de ruido y una baja potencia de salida de saturación, lo que no es propicio para la aplicación 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 lograr una amplificación óptica en chip de bajo ruido y alta potencia, lo que cumple con los requisitos de la tecnología integrada de fotones de microondas para la amplificación óptica en chip.

En términos de detección de luz, el niobato de litio de película delgada tiene buenas características de transmisión a la luz en la banda de 1550 nm. La función de conversión fotoeléctrica no se puede realizar, por lo que para aplicaciones de fotones de microondas, para satisfacer las necesidades de conversión fotoeléctrica en el chip. Las unidades de detección InGaAs o Ge-Si deben introducirse en chips integrados fotónicos basados ​​en LNOI mediante soldadura de carga posterior o crecimiento epitaxial. En términos de acoplamiento con fibra óptica, debido a que la fibra óptica en sí misma es material de SiO2, el campo modal de la guía de onda de SiO2 tiene el mayor grado de coincidencia con el campo modal de la fibra óptica, y el acoplamiento es el más conveniente. El diámetro del campo modal de la guía de onda fuertemente restringida de niobato de litio de película delgada es de aproximadamente 1 μm, que es bastante diferente del campo modal de la fibra óptica, por lo que se debe realizar una transformación de punto modal adecuada para que coincida con el campo modal de la fibra óptica.

En términos de integración, el alto 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 de onda). Una guía de onda con fuertes restricciones 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. Por lo tanto, la aparición de niobato de litio de película delgada permite que este material realmente desempeñe la función de "silicio" óptico. Para la aplicación de fotones de microondas, las ventajas del niobato de litio de película delgada son más evidentes.