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

Alta linealidadmodulador electroópticoy aplicación de fotones de microondas
Con los crecientes requisitos 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 nacerá la fotónica de microondas. El modulador electroóptico es necesario para la conversión de electricidad en luz ensistemas fotónicos de microondasy este 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 ordinariomoduladores electroópticosDebido a su no linealidad inherente, se produce 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 aun así no cumple con los requisitos de linealidad del enlace de fotones de microondas. Por lo tanto, se necesitan con urgencia moduladores electroópticos de alta linealidad.

La modulación de 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 exhiben excelentesmodulación electroópticapropiedades debidas 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, bajas pérdidas, fácil integración y compatibilidad con el proceso de semiconductores, el uso de niobato de litio de película delgada para hacer moduladores electroópticos de alto rendimiento, en comparación con el silicio casi sin "placa de cortocircuito", pero también logra una alta linealidad. El modulador electroóptico de niobato de litio de película delgada (LNOI) sobre 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 un campo de estudio para la academia y la industria internacionales.

Características del niobato de litio en película delgada
En Estados Unidos, el programa de 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 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 términos de características de transmisión óptica, el material InP presenta 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 poseen las mejores características de transmisión, y la pérdida puede alcanzar un nivel de ~0,01 dB/cm. Actualmente, la pérdida de la guía de onda de niobato de litio de película delgada puede alcanzar un nivel de 0,03 dB/cm, y existe la posibilidad de que esta pérdida se reduzca 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 pasivas como la ruta fotosintética, la derivación y el microranillo.

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 fotónico integrado basado en LNOI mediante soldadura por carga posterior o crecimiento epitaxial. En términos de modulación de luz, se ha enfatizado 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 con mayor facilidad 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 conmutador 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 integrados, el chip de formación de haces controlado ópticamente tiene la capacidad de conmutación de alta velocidad para satisfacer las necesidades de escaneo rápido del haz, y las características de consumo de energía ultrabajo se adaptan bien a los estrictos requisitos de los sistemas de matriz de fase a gran escala. Aunque el conmutador óptico basado en InP también puede lograr 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 seriamente. Los materiales de silicio, SiO2 y nitruro de silicio solo pueden conmutar rutas ópticas a través del efecto termoóptico o el efecto de dispersión de portadores, lo que tiene las desventajas de un alto consumo de energía y una velocidad de conmutación lenta. Cuando el tamaño de la matriz de fase es grande, no puede cumplir con los requisitos de consumo de energía.

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 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, permite lograr una amplificación óptica en chip de bajo ruido y alta potencia, cumpliendo así con los requisitos de la tecnología integrada de fotones de microondas para la amplificación óptica en 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. No se puede realizar la función de conversión fotoeléctrica, por lo que para aplicaciones de fotones de microondas, para satisfacer las necesidades de conversión fotoeléctrica en el chip, se deben introducir unidades de detección de InGaAs o Ge-Si en chips fotónicos integrados basados ​​en LNOI mediante soldadura por carga posterior o crecimiento epitaxial. En términos de acoplamiento con fibra óptica, debido a que la fibra óptica en sí es de material 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 película delgada de niobato de litio es de aproximadamente 1 μm, que es bastante diferente del campo modal de la fibra óptica, por lo que se debe realizar una transformación adecuada del punto modal para que coincida 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 ondas (influenciado por la limitación del campo modal de la guía). Una guía de ondas con un radio de curvatura muy restringido permite un radio de curvatura menor, lo que favorece 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. En consecuencia, la aparición del niobato de litio de película delgada permite que este material actúe como un verdadero "silicio" óptico. Para la aplicación de fotones de microondas, las ventajas del niobato de litio de película delgada son aún más evidentes.