Modulador eletro-óptico de niobato de lítio de filme fino altamente integrado

Alta linearidademodulador eletro-ópticoe aplicação de fótons de micro-ondas
Com as crescentes exigências dos sistemas de comunicação, a fim de aprimorar ainda mais a eficiência da transmissão de sinais, busca-se a fusão de fótons e elétrons para obter vantagens complementares, dando origem à fotônica de micro-ondas. O modulador eletro-óptico é necessário para a conversão de eletricidade em luz.sistemas fotônicos de micro-ondasE essa etapa crucial geralmente determina o desempenho de todo o sistema. Como a conversão do sinal de radiofrequência para o domínio óptico é um processo de sinal analógico, e ordinariamentemoduladores eletro-ópticosDevido à sua não linearidade inerente, ocorre uma distorção significativa do sinal durante o processo de conversão. Para se obter uma modulação aproximadamente linear, o ponto de operação do modulador é geralmente fixado no ponto de polarização ortogonal, mas isso ainda não atende aos requisitos de linearidade do modulador para enlaces de fótons de micro-ondas. Moduladores eletro-ópticos com alta linearidade são urgentemente necessários.

A modulação de alta velocidade do índice de refração em materiais de silício é geralmente obtida pelo efeito de dispersão de plasma de portadores livres (FCD). Tanto o efeito FCD quanto a modulação da junção PN são não lineares, o que torna o modulador de silício menos linear do que o modulador de niobato de lítio. Os materiais de niobato de lítio exibem excelente desempenho.modulação eletro-ópticaAs propriedades do niobato de lítio se devem ao seu efeito de enrugamento. Ao mesmo tempo, o material apresenta vantagens como ampla largura de banda, boas características de modulação, baixa perda, fácil integração e compatibilidade com processos semicondutores. O uso de filmes finos de niobato de lítio para fabricar moduladores eletro-ópticos de alto desempenho, em comparação com o silício, praticamente elimina o problema de "curto-circuito" e permite alcançar alta linearidade. O modulador eletro-óptico de filme fino de niobato de lítio (LNOI) sobre isolante tornou-se uma direção promissora de desenvolvimento. Com o aprimoramento das tecnologias de preparação de filmes finos de niobato de lítio e de gravação de guias de onda, a alta eficiência de conversão e a maior integração dos moduladores eletro-ópticos de filme fino de niobato de lítio tornaram-se foco de pesquisa internacional na academia e na indústria.

Características do niobato de lítio em filme fino
Nos Estados Unidos, o planejamento DAP AR fez a seguinte avaliação sobre os materiais de niobato de lítio: se o centro da revolução eletrônica recebeu o nome do material de silício que a tornou possível, então o berço da revolução fotônica provavelmente receberá o nome do niobato de lítio. Isso porque o niobato de lítio integra os efeitos eletro-óptico, acusto-óptico, piezoelétrico, termoelétrico e fotorrefrativo em um único material, assim como o silício no campo da óptica.

Em termos de características de transmissão óptica, o material InP apresenta a maior perda de transmissão no chip devido à absorção de luz na banda de 1550 nm, comumente utilizada. O SiO₂ e o nitreto de silício possuem as melhores características de transmissão, com perdas que podem atingir o nível de ~0,01 dB/cm. Atualmente, a perda em guias de onda de niobato de lítio em filme fino pode chegar a 0,03 dB/cm, e há potencial para que essa perda seja ainda mais reduzida com o aprimoramento contínuo da tecnologia no futuro. Portanto, o niobato de lítio em filme fino apresenta bom desempenho para estruturas de luz passivas, como caminhos fotossintéticos, derivações e microrresonadores.

Em termos de geração de luz, apenas o InP possui a capacidade de emitir luz diretamente; portanto, para a aplicação de fótons de micro-ondas, é necessário introduzir a fonte de luz baseada em InP no chip fotônico integrado baseado em LNOI por meio de soldagem por retrocarregamento ou crescimento epitaxial. Em termos de modulação de luz, como já foi enfatizado, o material de niobato de lítio em filme fino permite alcançar maior largura de banda de modulação, menor tensão de meia onda e menor perda de transmissão do que o InP e o Si. Além disso, a alta linearidade da modulação eletro-óptica de materiais de niobato de lítio em filme fino é essencial para todas as aplicações de fótons de micro-ondas.

Em termos de roteamento óptico, a resposta eletro-óptica de alta velocidade do niobato de lítio em filme fino torna o comutador óptico baseado em LNOI capaz de realizar comutação óptica de alta velocidade, com um consumo de energia muito baixo. Para a aplicação típica da tecnologia integrada de fótons de micro-ondas, o chip de formação de feixe controlado opticamente possui a capacidade de comutação de alta velocidade para atender às necessidades de varredura rápida do feixe, e as características de consumo de energia ultrabaixo são bem adaptadas aos requisitos rigorosos de sistemas de matrizes de fase em larga escala. Embora o comutador óptico baseado em InP também possa realizar comutação de caminho óptico de alta velocidade, ele introduz ruído elevado, especialmente quando o comutador óptico multinível é cascateado, o que deteriora seriamente o coeficiente de ruído. Materiais como silício, SiO₂ e nitreto de silício só podem comutar caminhos ópticos por meio do efeito termo-óptico ou do efeito de dispersão de portadores, o que apresenta as desvantagens de alto consumo de energia e baixa velocidade de comutação. Quando o tamanho da matriz de fase é grande, não atende aos requisitos de consumo de energia.

Em termos de amplificação óptica, oamplificador óptico semicondutor (SOAA tecnologia baseada em InP já está madura para uso comercial, mas apresenta desvantagens como alto coeficiente de ruído e baixa potência de saída de saturação, o que não é favorável à aplicação de fótons de micro-ondas. O processo de amplificação paramétrica de guia de onda de niobato de lítio em filme fino, baseado em ativação e inversão periódicas, permite alcançar amplificação óptica em chip com baixo ruído e alta potência, atendendo aos requisitos da tecnologia integrada de fótons de micro-ondas para amplificação óptica em chip.

Em termos de detecção de luz, o filme fino de niobato de lítio apresenta boas características de transmissão na faixa de 1550 nm. A função de conversão fotoelétrica não pode ser implementada, portanto, para aplicações em fótons de micro-ondas, a fim de atender às necessidades de conversão fotoelétrica no chip, unidades de detecção de InGaAs ou Ge-Si precisam ser introduzidas em chips fotônicos integrados baseados em LNOI por meio de soldagem por retrocarregamento ou crescimento epitaxial. Em relação ao acoplamento com fibra óptica, como a própria fibra óptica é feita de SiO₂, o campo modal do guia de onda de SiO₂ apresenta o maior grau de correspondência com o campo modal da fibra óptica, sendo o acoplamento o mais conveniente. O diâmetro do campo modal do guia de onda fortemente restrito do filme fino de niobato de lítio é de cerca de 1 μm, o que é bastante diferente do campo modal da fibra óptica; portanto, uma transformação adequada do ponto modal deve ser realizada para que coincida com o campo modal da fibra óptica.

Em termos de integração, o alto potencial de integração de diversos materiais depende principalmente do raio de curvatura do guia de ondas (afetado pela limitação do campo do modo de onda). Um guia de ondas com forte restrição permite um raio de curvatura menor, o que é mais propício à obtenção de alta integração. Portanto, guias de ondas de niobato de lítio em filme fino têm potencial para alcançar alta integração. Assim, o surgimento do niobato de lítio em filme fino possibilita que esse material realmente desempenhe o papel de "silício" óptico. Para aplicações em fótons de micro-ondas, as vantagens do niobato de lítio em filme fino são ainda mais evidentes.