Ventajas e importancia del niobato de litio de película delgada en la tecnología integrada de fotones de microondas
Tecnología de fotones de microondasTiene las ventajas de un gran ancho de banda de trabajo, una sólida capacidad de procesamiento en paralelo y una baja pérdida de transmisión, lo que tiene el potencial de superar los obstáculos técnicos de los sistemas de microondas tradicionales y mejorar el rendimiento de equipos de información electrónica militar como radares, guerra electrónica, comunicaciones, medición y control. Sin embargo, el sistema de fotones de microondas basado en dispositivos discretos presenta algunos problemas, como su gran volumen, peso y baja estabilidad, que limitan seriamente su aplicación en plataformas espaciales y aéreas. Por lo tanto, la tecnología integrada de fotones de microondas se está convirtiendo en un soporte importante para superar la aplicación de fotones de microondas en los sistemas de información electrónica militar y aprovechar al máximo las ventajas de la tecnología de fotones de microondas.
En la actualidad, las tecnologías de integración fotónica basadas en SI e INP han alcanzado una madurez creciente tras años de desarrollo en el campo de las comunicaciones ópticas, y se han comercializado numerosos productos. Sin embargo, para la aplicación de fotones de microondas, estas dos tecnologías presentan algunos problemas: por ejemplo, el coeficiente electroóptico no lineal de los moduladores de Si e InP contradice la alta linealidad y las grandes características dinámicas que busca la tecnología de fotones de microondas. Por ejemplo, los interruptores ópticos de silicio que realizan la conmutación de trayectoria óptica, ya sea por efecto termoóptico, efecto piezoeléctrico o efecto de dispersión por inyección de portadores, presentan problemas de baja velocidad de conmutación, consumo de energía y consumo de calor, lo que dificulta su uso en aplicaciones de fotones de microondas de barrido rápido y a gran escala.
El niobato de litio siempre ha sido la primera opción para alta velocidad.modulación electroópticamateriales debido a su excelente efecto electroóptico lineal. Sin embargo, el niobato de litio tradicional...modulador electroópticoestá hecho de material de cristal de niobato de litio masivo, y el tamaño del dispositivo es muy grande, lo que no puede satisfacer las necesidades de la tecnología integrada de fotones de microondas. Cómo integrar materiales de niobato de litio con coeficiente electroóptico lineal en el sistema integrado de tecnología de fotones de microondas se ha convertido en el objetivo de los investigadores relevantes. En 2018, un equipo de investigación de la Universidad de Harvard en los Estados Unidos informó por primera vez la tecnología de integración fotónica basada en niobato de litio de película delgada en Nature, debido a que la tecnología tiene las ventajas de alta integración, gran ancho de banda de modulación electroóptica y alta linealidad del efecto electroóptico, una vez lanzada, inmediatamente causó atención académica e industrial en el campo de la integración fotónica y la fotónica de microondas. Desde la perspectiva de la aplicación de los fotones de microondas, este artículo revisa la influencia y la importancia de la tecnología de integración fotónica basada en niobato de litio de película delgada en el desarrollo de la tecnología de fotones de microondas.
Material de niobato de litio de película delgada y película delgadamodulador de niobato de litio
En los últimos dos años, ha surgido un nuevo tipo de material de niobato de litio. La película de niobato de litio se exfolia del cristal masivo de niobato de litio mediante el método de "corte iónico" y se une a la oblea de silicio con una capa amortiguadora de sílice para formar un material LNOI (LiNbO₃ sobre aislante) [5], que en este artículo se denomina material de niobato de litio de película delgada. Las guías de onda de cresta con una altura de más de 100 nanómetros se pueden grabar en materiales de niobato de litio de película delgada mediante un proceso optimizado de grabado en seco, y la diferencia de índice de refracción efectiva de las guías de onda formadas puede alcanzar más de 0,8 (mucho mayor que la diferencia de índice de refracción de las guías de onda de niobato de litio tradicionales de 0,02), como se muestra en la Figura 1. La guía de onda fuertemente restringida facilita la adaptación del campo de luz al campo de microondas durante el diseño del modulador. Por lo tanto, es beneficioso lograr un voltaje de media onda más bajo y un mayor ancho de banda de modulación en una longitud más corta.
La aparición de la guía de onda submicrónica de niobato de litio de baja pérdida supera el cuello de botella de la alta tensión de excitación de los moduladores electroópticos tradicionales de niobato de litio. La separación entre electrodos se puede reducir a ~5 μm, la superposición entre el campo eléctrico y el campo óptico aumenta considerablemente, y la vπ·L disminuye de más de 20 V·cm a menos de 2,8 V·cm. Por lo tanto, con la misma tensión de media onda, la longitud del dispositivo se puede reducir considerablemente en comparación con los moduladores tradicionales. Al mismo tiempo, tras optimizar los parámetros de ancho, grosor e intervalo del electrodo de onda viajera, como se muestra en la figura, el modulador puede alcanzar un ancho de banda de modulación ultraalto, superior a 100 GHz.
Fig.1 （a） distribución de modos calculada y （b） imagen de la sección transversal de la guía de ondas LN
Fig.2 （a） Estructura de guía de ondas y electrodo y （b） placa central del modulador LN
Comparación de moduladores de niobato de litio de película delgada con moduladores comerciales de niobato de litio tradicionales, moduladores basados en silicio y moduladores de fosfuro de indio (InP) y otros moduladores electroópticos de alta velocidad existentes, los principales parámetros de la comparación incluyen:
(1) Producto de longitud de voltaje de media onda (vπ ·L, V·cm), que mide la eficiencia de modulación del modulador; cuanto menor sea el valor, mayor será la eficiencia de modulación;
(2) Ancho de banda de modulación de 3 dB (GHz), que mide la respuesta del modulador a la modulación de alta frecuencia;
(3) Pérdida de inserción óptica (dB) en la región de modulación. La tabla muestra que el modulador de niobato de litio de película delgada presenta ventajas evidentes en cuanto a ancho de banda de modulación, voltaje de media onda, pérdida de interpolación óptica, etc.
El silicio, piedra angular de la optoelectrónica integrada, se ha desarrollado hasta la fecha, su proceso es maduro, su miniaturización facilita la integración a gran escala de dispositivos activos/pasivos, y su modulador ha sido estudiado extensa y profundamente en el campo de la comunicación óptica. El mecanismo de modulación electroóptica del silicio se compone principalmente de depleción de portadores, inyección de portadores y acumulación de portadores. Entre ellos, el ancho de banda del modulador es óptimo con el mecanismo de depleción de portadores de grado lineal, pero debido a que la distribución del campo óptico se superpone con la no uniformidad de la región de depleción, este efecto introducirá términos de distorsión no lineal de segundo orden y distorsión de intermodulación de tercer orden, junto con el efecto de absorción del portador en la luz, lo que conducirá a la reducción de la amplitud de modulación óptica y la distorsión de la señal.
El modulador InP posee efectos electroópticos excepcionales, y su estructura de pozo cuántico multicapa permite generar moduladores de ultraalta tasa y baja tensión de excitación con Vπ·L de hasta 0,156 V·mm. Sin embargo, la variación del índice de refracción con el campo eléctrico incluye términos lineales y no lineales, y el aumento de la intensidad del campo eléctrico intensificará el efecto de segundo orden. Por lo tanto, los moduladores electroópticos de silicio e InP requieren polarización para formar la unión pn durante su funcionamiento, ya que esta unión pn produce pérdidas de absorción de luz. Sin embargo, el tamaño del modulador de estos dos es pequeño; el tamaño del modulador InP comercial es 1/4 del del modulador LN. Alta eficiencia de modulación, ideal para redes de transmisión óptica digital de alta densidad y corta distancia, como centros de datos. El efecto electroóptico del niobato de litio no presenta mecanismos de absorción de luz y presenta bajas pérdidas, lo que lo hace adecuado para la transmisión coherente de larga distancia.comunicación ópticaCon gran capacidad y alta tasa de transferencia. En la aplicación de fotones de microondas, los coeficientes electroópticos de Si e InP son no lineales, lo cual no resulta adecuado para el sistema de fotones de microondas que busca alta linealidad y gran dinámica. El niobato de litio es muy adecuado para la aplicación de fotones de microondas gracias a su coeficiente de modulación electroóptica completamente lineal.
Hora de publicación: 22 de abril de 2024