Modulador electroóptico de niobato de litio de película delgada integrado superior

Alta linealidadmodulador electroópticoy aplicación de fotones de microondas
Con los requisitos cada vez mayores de los sistemas de comunicación, para mejorar aún más la eficiencia de transmisión de señales, las personas fusionarán fotones y electrones para lograr ventajas complementarias y nacerá la fotónica de microondas. El modulador electroóptico es necesario para la conversión de electricidad en luz ensistemas fotónicos de microondas, y este paso clave generalmente determina el rendimiento de todo el sistema. Dado que la conversión de una señal de radiofrecuencia al dominio óptico es un proceso de señal analógica, y la conversión ordinariamoduladores electroópticostienen una no linealidad inherente, hay una grave distorsión de la señal en el proceso de conversión. Para lograr una modulación lineal aproximada, el punto de operación del modulador generalmente se fija en el punto de polarización ortogonal, pero aún no puede cumplir con los requisitos del enlace de fotones de microondas para la linealidad del modulador. Se necesitan con urgencia moduladores electroópticos con alta linealidad.

La modulación del índice de refracción de alta velocidad de los materiales de silicio generalmente se logra mediante el efecto de dispersión de plasma de portador libre (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 exhiben excelentesmodulación 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 fabricar un 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 (LNOI) de película delgada sobre aislante se ha convertido en una dirección de desarrollo prometedora. Con el desarrollo de la tecnología de preparación de materiales 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 los Estados Unidos, la planificación DAP AR ha realizado la siguiente evaluación de los materiales de niobato de litio: si el centro de la revolución electrónica lleva el nombre del material de silicio que la hace posible, entonces es probable que el lugar de nacimiento de la revolución fotónica lleve el nombre de niobato de litio. . Esto se debe a que el niobato de litio integra el efecto electroóptico, el efecto acústico-óptico, el efecto piezoeléctrico, el efecto termoeléctrico y el efecto fotorrefractivo 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 tiene la mayor pérdida de transmisión en el chip debido a la absorción de luz en la banda de 1550 nm comúnmente utilizada. El SiO2 y el nitruro de silicio tienen las mejores características de transmisión y la pérdida puede alcanzar el nivel de ~ 0,01 dB/cm; En la actualidad, la pérdida de la guía de ondas de niobato de litio de película delgada puede alcanzar el nivel de 0,03 dB/cm, y la pérdida de la guía de ondas de niobato de litio de película delgada tiene el potencial de reducirse aún más con la mejora continua del nivel tecnológico en el futuro. Por lo tanto, el material de niobato de litio de película delgada mostrará un buen rendimiento para estructuras de luz pasiva como la ruta fotosintética, la derivación y el microanillo.

En términos de generación de luz, sólo 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 de retrocarga o crecimiento epitaxial. En términos de modulación de la luz, se ha enfatizado anteriormente que el material de niobato de litio de película delgada es más fácil de lograr un mayor ancho de banda de modulación, un voltaje de media onda más bajo y una menor pérdida de transmisión que el InP y el Si. Además, la alta linealidad de la modulación electroóptica de 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 hace que el interruptor óptico basado en LNOI sea capaz de realizar una conmutación de enrutamiento óptico de alta velocidad, y el consumo de energía de dicha conmutación de alta velocidad también es muy bajo. Para la aplicación típica de la tecnología de fotones de microondas integrada, el chip de formación de haz controlado ópticamente tiene la capacidad de conmutación de alta velocidad para satisfacer las necesidades de escaneo de haz rápido, y las características de consumo de energía ultrabajo se adaptan bien a los estrictos requisitos de grandes -sistema de matriz en fase a escala. Aunque el conmutador óptico basado en InP también puede realizar una conmutación de ruta óptica de alta velocidad, introducirá un gran ruido, especialmente cuando el conmutador óptico multinivel está en cascada, el coeficiente de ruido se deteriorará gravemente. Los materiales de silicio, SiO2 y nitruro de silicio solo pueden cambiar las trayectorias ópticas mediante el efecto termoóptico o efecto de dispersión del portador, lo que tiene las desventajas de un alto consumo de energía y una velocidad de conmutación lenta. Cuando el tamaño de la matriz en fase es grande, no puede cumplir con los requisitos de consumo de energía.

En términos de amplificación óptica, elamplificador óptico semiconductor (SOA) basado en InP ya está maduro para uso comercial, pero tiene las desventajas de un alto coeficiente de ruido y una baja potencia de salida de saturación, lo que no favorece la aplicación de fotones de microondas. El proceso de amplificación paramétrica de la guía de ondas de niobato de litio de película delgada basado en la activación e inversión periódicas puede lograr una amplificación óptica en el chip de bajo ruido y alta potencia, que puede cumplir con los requisitos de la tecnología integrada de fotones de microondas para la amplificación óptica en el chip.

En términos de detección de luz, la película delgada de niobato de litio tiene buenas características de transmisión de 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. Es necesario introducir unidades de detección de InGaAs o Ge-Si en chips fotónicos integrados basados ​​en LNOI mediante soldadura de retrocarga o crecimiento epitaxial. En términos de acoplamiento con fibra óptica, debido a que la fibra óptica en sí es material de SiO2, el campo de modo de la guía de ondas de SiO2 tiene el mayor grado de coincidencia con el campo de modo de la fibra óptica, y el acoplamiento es el más conveniente. El diámetro del campo modal de la guía de ondas 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 llevar a cabo una transformación puntual del modo adecuada para que coincida con el campo modal de la fibra óptica.

En términos de integración, el hecho de que varios materiales tengan un alto potencial de integración depende principalmente del radio de curvatura de la guía de ondas (afectado por la limitación del campo del modo de la guía de ondas). La guía de ondas fuertemente restringida permite un radio de curvatura más pequeño, lo que favorece más la realización de una alta integración. Por lo tanto, las guías de ondas de niobato de litio de película delgada tienen el potencial de lograr una alta integración. Por lo tanto, la aparición de una película delgada de niobato de litio hace posible que el material de niobato de litio realmente desempeñe el papel de "silicio" óptico. Para la aplicación de fotones de microondas, las ventajas del niobato de litio de película delgada son más obvias.