Ventajas e importancia de las películas delgadas de niobato de litio en la tecnología fotónica de microondas integrada
Tecnología de fotones de microondasPresenta ventajas como un gran ancho de banda de trabajo, una alta capacidad de procesamiento paralelo y bajas pérdidas de transmisión, lo que le permite superar las limitaciones técnicas de los sistemas de microondas tradicionales y mejorar el rendimiento de equipos electrónicos militares como radares, sistemas de guerra electrónica, comunicaciones y sistemas de medición y control. Sin embargo, los sistemas fotónicos de microondas basados en dispositivos discretos presentan problemas como gran volumen, peso elevado y baja estabilidad, lo que restringe considerablemente su aplicación en plataformas espaciales y aéreas. Por lo tanto, la tecnología fotónica de microondas integrada se está convirtiendo en un soporte fundamental para impulsar su aplicación en sistemas electrónicos militares y aprovechar al máximo sus ventajas.
En la actualidad, las tecnologías de integración fotónica basadas en silicio (SI) y en InP han alcanzado un alto grado de madurez tras años de desarrollo en el campo de las comunicaciones ópticas, y numerosos productos ya están disponibles en el mercado. 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 silicio e InP dificulta la alta linealidad y el amplio rango dinámico que requiere la tecnología de fotones de microondas; por otro lado, los interruptores ópticos de silicio que realizan la conmutación de la trayectoria óptica, ya sea mediante el efecto termoóptico, el efecto piezoeléctrico o el efecto de dispersión por inyección de portadores, presentan problemas de baja velocidad de conmutación, alto consumo de energía y elevada disipación de calor, lo que impide satisfacer las necesidades de escaneo rápido del haz y aplicaciones de fotones de microondas a gran escala.
El niobato de litio siempre ha sido la primera opción para alta velocidadmodulación electroópticaEste material presenta excelentes propiedades electroópticas lineales debido a su efecto. Sin embargo, el niobato de litio tradicional no es la mejor opción.modulador electroópticoEstá fabricado con un material cristalino de niobato de litio masivo, y el tamaño del dispositivo es muy grande, lo que impide satisfacer las necesidades de la tecnología fotónica de microondas integrada. Cómo integrar materiales de niobato de litio con coeficiente electroóptico lineal en el sistema de tecnología fotónica de microondas integrada se ha convertido en el objetivo de los investigadores del sector. En 2018, un equipo de investigación de la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, publicó en Nature la primera tecnología de integración fotónica basada en películas delgadas de niobato de litio. Debido a que esta tecnología presenta ventajas como alta integración, gran ancho de banda de modulación electroóptica y alta linealidad del efecto electroóptico, su lanzamiento generó de inmediato interés académico e industrial en el campo de la integración fotónica y la fotónica de microondas. Desde la perspectiva de la aplicación de la tecnología fotónica de microondas, este artículo revisa la influencia y la importancia de la tecnología de integración fotónica basada en películas delgadas de niobato de litio en el desarrollo de dicha tecnología.
Material de niobato de litio en 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: una película delgada de niobato de litio. Esta película se obtiene mediante la exfoliación de cristales masivos de niobato de litio utilizando el método de "corte iónico" y se une a una oblea de silicio con una capa amortiguadora de sílice para formar el material LNOI (LiNbO₃ sobre aislante) [5], al que en este trabajo denominamos niobato de litio en película delgada. Mediante un proceso de grabado en seco optimizado, se pueden grabar guías de onda de cresta con una altura superior a 100 nanómetros en este material. La diferencia efectiva del índice de refracción de las guías de onda resultantes puede superar el 0,8 (muy superior a la diferencia de 0,02 de las guías de onda de niobato de litio tradicionales), como se muestra en la Figura 1. La alta restricción de la guía de onda facilita la adaptación del campo de luz al campo de microondas durante el diseño del modulador. Esto permite obtener una menor tensión de media onda 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 la limitación del alto voltaje de operación del modulador electroóptico tradicional de niobato de litio. La separación entre electrodos se puede reducir a ~5 μm, lo que aumenta considerablemente la superposición entre el campo eléctrico y el campo del modo óptico, y disminuye vπ·L de más de 20 V·cm a menos de 2,8 V·cm. Por lo tanto, con el mismo voltaje de media onda, la longitud del dispositivo se reduce significativamente en comparación con el modulador tradicional. Asimismo, tras optimizar los parámetros de ancho, grosor e intervalo del electrodo de onda viajera, como se muestra en la figura, el modulador alcanza un ancho de banda de modulación ultraalto, superior a 100 GHz.
Figura 1 (a) distribución de modos calculada y (b) imagen de la sección transversal de la guía de ondas LN.
Figura 2 (a) Estructura de la guía de ondas y los electrodos y (b) placa central del modulador LN
La comparación de moduladores de niobato de litio de película delgada con moduladores comerciales tradicionales de niobato de litio, moduladores basados en silicio y moduladores de fosfuro de indio (InP), así como con otros moduladores electroópticos de alta velocidad existentes, incluye los siguientes parámetros principales:
(1) Producto voltio-longitud 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. Como se observa en la tabla, el modulador de niobato de litio de película delgada presenta ventajas evidentes en cuanto a ancho de banda de modulación, tensión de media onda, pérdida de interpolación óptica, etc.
El silicio, como pilar de la optoelectrónica integrada, ha alcanzado un alto grado de desarrollo. Su proceso de fabricación es maduro, su miniaturización facilita la integración a gran escala de dispositivos activos y pasivos, y su modulación ha sido ampliamente estudiada en el campo de las comunicaciones ópticas. El mecanismo de modulación electroóptica del silicio se basa principalmente en la depleción, inyección y acumulación de portadores. Si bien el ancho de banda del modulador es óptimo con el mecanismo de depleción lineal de portadores, la superposición de la distribución del campo óptico con la región de depleción no uniforme introduce distorsiones no lineales de segundo orden y de tercer orden por intermodulación. Esto, sumado al efecto de absorción de los portadores sobre la luz, reduce la amplitud de modulación óptica y provoca distorsión de la señal.
El modulador de InP presenta excelentes efectos electroópticos, y su estructura de pozo cuántico multicapa permite la implementación de moduladores de ultra alta velocidad y bajo voltaje de accionamiento, 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 acentúa el efecto de segundo orden. Por lo tanto, los moduladores electroópticos de silicio e InP requieren polarización para formar una unión pn durante su funcionamiento, lo que genera pérdidas por absorción de luz. No obstante, el tamaño de estos dos moduladores es reducido; el tamaño del modulador comercial de InP es 1/4 del del modulador de LN. Su alta eficiencia de modulación lo hace idóneo para redes de transmisión óptica digital de alta densidad y corto alcance, como las de los centros de datos. El efecto electroóptico del niobato de litio, al carecer de absorción de luz y presentar bajas pérdidas, resulta adecuado para comunicaciones coherentes de largo alcance.comunicación ópticaCon gran capacidad y alta velocidad. En aplicaciones de fotones de microondas, los coeficientes electroópticos del Si y el InP son no lineales, lo que los hace inadecuados para sistemas que requieren alta linealidad y gran rango dinámico. El niobato de litio, por su coeficiente de modulación electroóptica completamente lineal, resulta idóneo para aplicaciones de fotones de microondas.
Fecha de publicación: 22 de abril de 2024