Ventajas e importancia del niobato de litio en película delgada en la tecnología integrada de fotones de microondas.
Tecnología de fotones de microondasPresenta ventajas como un amplio ancho de banda, una gran capacidad de procesamiento paralelo y bajas pérdidas de transmisión, lo que le confiere el potencial de superar las limitaciones técnicas de los sistemas de microondas tradicionales y mejorar el rendimiento de los equipos de información electrónica militar, como radares, sistemas de guerra electrónica, comunicaciones y sistemas de medición y control. Sin embargo, los sistemas de fotones de microondas basados en dispositivos discretos presentan problemas como su gran tamaño, peso y escasa estabilidad, lo que restringe seriamente su aplicación en plataformas espaciales y aéreas. Por consiguiente, la tecnología integrada de fotones de microondas se está convirtiendo en un apoyo fundamental para impulsar la aplicación de esta tecnología en los sistemas de información electrónica militar y aprovechar al máximo sus ventajas.
Actualmente, las tecnologías de integración fotónica basadas en silicio (SI) e InP han alcanzado un nivel de madurez cada vez mayor tras años de desarrollo en el campo de la comunicación óptica, y se han comercializado numerosos productos. Sin embargo, para la aplicación de fotones de microondas, existen algunos problemas en estas dos tecnologías de integración fotónica: por ejemplo, el coeficiente electroóptico no lineal de los moduladores de silicio e InP es incompatible con la alta linealidad y las amplias características dinámicas que busca la tecnología de fotones de microondas; asimismo, el conmutador óptico de silicio que realiza la conmutación de la trayectoria óptica, ya sea basado en el efecto termoóptico, el efecto piezoeléctrico o el efecto de dispersión por inyección de portadores, presenta problemas de baja velocidad de conmutación, consumo de energía y generación de calor, lo que impide su uso en aplicaciones de escaneo rápido de haces y matrices de fotones de microondas 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 tradicionalmodulador 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 de fotones de microondas integrados. Cómo integrar materiales de niobato de litio con coeficiente electroóptico lineal en el sistema de tecnología de fotones de microondas integrados se ha convertido en el objetivo de los investigadores relevantes. En 2018, un equipo de investigación de la Universidad de Harvard en Estados Unidos informó por primera vez sobre la tecnología de integración fotónica basada en niobato de litio de película delgada en Nature, porque la tecnología tiene las ventajas de alta integración, gran ancho de banda de modulación electroóptica y alta linealidad del efecto electroóptico, una vez lanzada, causó inmediatamente atención académica e industrial en el campo de la integración fotónica y la fotónica de microondas. Desde la perspectiva de la aplicación de fotones de microondas, el 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 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, que consiste en la exfoliación de una película de niobato de litio a partir de un cristal masivo mediante el método de "corte iónico" y su unión a una oblea de Si con una capa amortiguadora de sílice para formar el material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], denominado en este artículo material de niobato de litio de 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 materiales de niobato de litio de película delgada, y la diferencia efectiva del índice de refracción de las guías de onda formadas puede alcanzar más de 0,8 (mucho mayor que la diferencia del 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, resulta beneficioso lograr un voltaje de media onda menor y un ancho de banda de modulación mayor en una longitud más corta.
La aparición de la guía de onda submicrométrica de niobato de litio de baja pérdida supera la limitación del alto voltaje de accionamiento de los moduladores electroópticos de niobato de litio tradicionales. El espaciado entre electrodos se puede reducir a ~5 μm, y la superposición entre el campo eléctrico y el campo del modo óptico aumenta considerablemente, y la tensión vπ·L disminuye 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 puede reducir significativamente en comparación con el modulador tradicional. Al mismo tiempo, tras optimizar los parámetros de ancho, espesor 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.
Figura 1 (a) Distribución modal calculada y (b) Imagen de la sección transversal de la guía de ondas de LN.
Figura 2 (a) Estructura de la guía de ondas y del electrodo 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) y otros moduladores electroópticos de alta velocidad existentes, los principales parámetros de la comparación incluyen:
(1) Producto de media onda voltio-longitud (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. En la tabla se puede observar 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, como piedra angular de la optoelectrónica integrada, se ha desarrollado hasta ahora, su proceso está maduro, su miniaturización facilita la integración a gran escala de dispositivos activos/pasivos, y su modulador ha sido ampliamente estudiado en el campo de la comunicación óptica. El mecanismo de modulación electroóptica del silicio se basa principalmente en el agotamiento, la inyección y la acumulación de portadores. Entre ellos, el ancho de banda del modulador es óptimo con el mecanismo de agotamiento de portadores lineal, pero debido a que la distribución del campo óptico se superpone con la no uniformidad de la región de agotamiento, este efecto introduce distorsión no lineal de segundo orden y términos de distorsión de intermodulación de tercer orden, junto con el efecto de absorción de los portadores sobre la luz, lo que conduce a la reducción de la amplitud de modulación óptica y a la distorsión de la señal.
El modulador de InP tiene efectos electroópticos excepcionales, y la estructura de pozo cuántico multicapa puede lograr moduladores de velocidad ultra alta 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 hará que el efecto de segundo orden sea prominente. Por lo tanto, los moduladores electroópticos de silicio e InP necesitan aplicar polarización para formar una unión pn cuando funcionan, y la unión pn provocará pérdidas por absorción de luz. Sin embargo, el tamaño del modulador de estos dos es pequeño, el tamaño del modulador comercial de InP es 1/4 del modulador de LN. Alta eficiencia de modulación, adecuado para redes de transmisión óptica digital de alta densidad y corta distancia, como centros de datos. El efecto electroóptico del niobato de litio no tiene mecanismo de absorción de luz y baja pérdida, lo que es adecuado para la coherencia de larga distancia.comunicación ópticaCon gran capacidad y alta velocidad de transmisión. En la aplicación de fotones de microondas, los coeficientes electroópticos del Si y el InP no son lineales, lo que los hace inadecuados para sistemas de fotones de microondas que requieren alta linealidad y gran dinámica. El niobato de litio es muy adecuado para aplicaciones de fotones de microondas debido a su coeficiente de modulación electroóptica completamente lineal.
Fecha de publicación: 22 de abril de 2024