Introducción a la estructura y el rendimiento del modulador electroóptico de niobato de litio de película delgada

Introducción a la estructura y el funcionamiento deModulador electroóptico de niobato de litio de película delgada
An modulador electroópticobasado en diferentes estructuras, longitudes de onda y plataformas de niobato de litio de película delgada, y una comparación integral del rendimiento de varios tipos demoduladores EOM, así como un análisis de la investigación y aplicación demoduladores de niobato de litio de película delgadaen otros campos.

1. Modulador de película delgada de niobato de litio con cavidad no resonante
Este tipo de modulador se basa en el excelente efecto electroóptico del cristal de niobato de litio y es un dispositivo clave para lograr una comunicación óptica de alta velocidad y larga distancia. Existen tres estructuras principales:
1.1 Modulador MZI de electrodo de onda viajera: Este es el diseño más típico. El grupo de investigación Lončar de la Universidad de Harvard logró por primera vez una versión de alto rendimiento en 2018, con mejoras posteriores que incluyen carga capacitiva basada en sustratos de cuarzo (alto ancho de banda pero incompatible con los basados ​​en silicio) y compatibilidad con los basados ​​en silicio basada en el ahuecamiento del sustrato, logrando un alto ancho de banda (>67 GHz) y transmisión de señales de alta velocidad (como 112 Gbit/s PAM4).
1.2 Modulador MZI plegable: Para acortar el tamaño del dispositivo y adaptarlo a módulos compactos como QSFP-DD, se utilizan tratamiento de polarización, guía de onda cruzada o electrodos de microestructura invertida para reducir la longitud del dispositivo a la mitad y lograr un ancho de banda de 60 GHz.
1.3 Modulador ortogonal coherente (IQ) de polarización simple/doble: Utiliza un formato de modulación de alto orden para mejorar la tasa de transmisión. El grupo de investigación Cai de la Universidad Sun Yat-sen logró el primer modulador IQ de polarización simple integrado en un chip en 2020. El modulador IQ de polarización doble desarrollado posteriormente ofrece un mejor rendimiento, y la versión basada en sustrato de cuarzo ha establecido un récord de tasa de transmisión de longitud de onda única de 1,96 Tbit/s.

2. Modulador de niobato de litio de película delgada con cavidad resonante
Para lograr moduladores de ancho de banda ultrapequeño y grande, existen diversas estructuras de cavidad resonante disponibles:
2.1 Cristal fotónico (PC) y modulador de microranillo: El grupo de investigación de Lin en la Universidad de Rochester ha desarrollado el primer modulador de cristal fotónico de alto rendimiento. Además, también se han propuesto moduladores de microranillo basados ​​en la integración heterogénea y homogénea de niobato de litio y silicio, que alcanzan anchos de banda de varios GHz.
2.2 Modulador de cavidad resonante con rejilla de Bragg: incluye cavidad Fabry-Perot (FP), rejilla de Bragg de guía de onda (WBG) y modulador de luz lenta (SL). Estas estructuras están diseñadas para equilibrar el tamaño, las tolerancias de proceso y el rendimiento. Por ejemplo, un modulador de cavidad resonante FP de 2 × 2 alcanza un ancho de banda ultra amplio que supera los 110 GHz. El modulador de luz lenta basado en rejilla de Bragg acoplada amplía el rango de ancho de banda de trabajo.

3. Modulador de niobato de litio de película delgada integrado heterogéneo
Existen tres métodos principales de integración para combinar la compatibilidad de la tecnología CMOS en plataformas basadas en silicio con el excelente rendimiento de modulación del niobato de litio:
3.1 Integración heterogénea mediante enlaces: Al unirse directamente con benzociclobuteno (BCB) o dióxido de silicio, se transfiere una película delgada de niobato de litio a una plataforma de silicio o nitruro de silicio, logrando una integración estable a alta temperatura a nivel de oblea. El modulador presenta un ancho de banda elevado (>70 GHz, incluso superior a 110 GHz) y una alta capacidad de transmisión de señales.
3.2 Integración heterogénea del material de la guía de ondas de deposición: la deposición de silicio o nitruro de silicio sobre una película delgada de niobato de litio como guía de ondas de carga también logra una modulación electroóptica eficiente.
3.3 Integración heterogénea mediante impresión por microtransferencia (μTP): Esta tecnología, destinada a la producción a gran escala, transfiere dispositivos funcionales prefabricados a chips de destino mediante equipos de alta precisión, evitando procesos posteriores complejos. Se ha aplicado con éxito a plataformas de nitruro de silicio y silicio, alcanzando anchos de banda de decenas de GHz.

En resumen, este artículo describe sistemáticamente la hoja de ruta tecnológica de los moduladores electroópticos basados ​​en plataformas de niobato de litio de película delgada, desde la búsqueda de estructuras de cavidad no resonantes de alto rendimiento y gran ancho de banda, la exploración de estructuras de cavidad resonantes miniaturizadas y la integración con plataformas fotónicas de silicio ya consolidadas. Demuestra el enorme potencial y el continuo progreso de los moduladores de niobato de litio de película delgada para superar las limitaciones de rendimiento de los moduladores tradicionales y lograr una comunicación óptica de alta velocidad.