Modulador eletro-óptico de niobato de lítio de película fina integrada superior

Alta linearidademodulador eletro-ópticoe aplicação de fótons de micro-ondas
Com os crescentes requisitos dos sistemas de comunicação, para melhorar ainda mais a eficiência da transmissão de sinais, as pessoas fundirão fótons e elétrons para obter vantagens complementares, e assim nascerá a fotônica de micro-ondas. O modulador eletro-óptico é necessário para a conversão de eletricidade em luz.sistemas fotônicos de micro-ondas, e esta etapa fundamental 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 o processo comummoduladores eletro-ópticospossuem não linearidade inerente, havendo grave distorção do sinal no processo de conversão. Para obter uma modulação linear aproximada, o ponto de operação do modulador é geralmente fixado no ponto de polarização ortogonal, mas ainda assim não atende aos requisitos de linearidade do enlace de fótons de micro-ondas. Moduladores eletro-ópticos com alta linearidade são urgentemente necessários.

A modulação do índice de refração em alta velocidade de 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 apresentam excelentemodulação eletro-ópticaPropriedades devido ao seu efeito Pucker. Ao mesmo tempo, o material de niobato de lítio apresenta as vantagens de grande largura de banda, boas características de modulação, baixa perda, fácil integração e compatibilidade com processos semicondutores. O uso de niobato de lítio em película fina para produzir moduladores eletro-ópticos de alto desempenho, em comparação com o silício, quase não possui "placa curta", mas também alcança alta linearidade. O modulador eletro-óptico de niobato de lítio em película fina (LNOI) em isolador tornou-se uma direção de desenvolvimento promissora. Com o desenvolvimento da tecnologia de preparação de material de niobato de lítio em película fina e da tecnologia de gravação por guia de onda, a alta eficiência de conversão e a maior integração do modulador eletro-óptico de niobato de lítio em película fina tornaram-se o campo da academia e da indústria internacionais.

Características do niobato de lítio em filme fino
Nos Estados Unidos, o DAP AR Planning realizou a seguinte avaliação dos materiais de niobato de lítio: se o centro da revolução eletrônica receber o nome do material de silício que a torna possível, então o berço da revolução fotônica provavelmente receberá o nome de niobato de lítio. Isso ocorre porque o niobato de lítio integra efeitos eletro-ópticos, acústico-ópticos, piezoelétricos, termoelétricos e fotorrefrativos em um só, assim como os materiais de 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 faixa de 1550 nm, comumente utilizada. SiO2 e nitreto de silício apresentam as melhores características de transmissão, com perdas que podem atingir o nível de ~ 0,01 dB/cm; atualmente, a perda no guia de ondas de niobato de lítio de filme fino pode atingir o nível de 0,03 dB/cm, e a perda no guia de ondas de niobato de lítio de filme fino tem o potencial de ser ainda mais reduzida com o aprimoramento contínuo do nível tecnológico no futuro. Portanto, o material de niobato de lítio de filme fino apresentará bom desempenho para estruturas de luz passiva, como caminho fotossintético, derivação e microanel.

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 retrocarga ou crescimento epitaxial. Em termos de modulação de luz, foi enfatizado anteriormente que o niobato de lítio em filme fino é mais fácil de atingir 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 dos 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 material de niobato de lítio em filme fino torna o comutador óptico baseado em LNOI capaz de comutação de roteamento óptico de alta velocidade, e o consumo de energia dessa comutação de alta velocidade também é 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 matriz em fase de grande escala. Embora o comutador óptico baseado em InP também possa realizar comutação de caminho óptico de alta velocidade, ele introduzirá grande ruído, especialmente quando o comutador óptico multinível é em cascata, o que deteriorará seriamente o coeficiente de ruído. Os materiais de silício, SiO2 e nitreto de silício só podem comutar caminhos ópticos através do efeito termo-óptico ou efeito de dispersão de portadora, o que tem as desvantagens de alto consumo de energia e baixa velocidade de comutação. Quando o tamanho da matriz em fase é grande, ele não pode atender aos requisitos de consumo de energia.

Em termos de amplificação óptica, oamplificador óptico semicondutor (SOA) baseado em InP já está maduro para uso comercial, mas apresenta as desvantagens de alto coeficiente de ruído e baixa potência de saída de saturação, o que não é adequado para a aplicação de fótons de micro-ondas. O processo de amplificação paramétrica do guia de ondas de niobato de lítio de filme fino, baseado em ativação e inversão periódicas, pode alcançar amplificação óptica on-chip de baixo ruído e alta potência, o que pode atender bem aos requisitos da tecnologia integrada de fótons de micro-ondas para amplificação óptica on-chip.

Em termos de detecção de luz, o niobato de lítio em película fina possui boas características de transmissão de luz na faixa de 1550 nm. A função de conversão fotoelétrica não pode ser realizada, portanto, para aplicações de 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 soldagem de backloading ou crescimento epitaxial. Em termos de acoplamento com fibra óptica, como a própria fibra óptica é de material SiO2, o campo de modo do guia de onda de SiO2 tem o maior grau de correspondência com o campo de modo da fibra óptica, e o acoplamento é o mais conveniente. O diâmetro do campo de modo do guia de onda fortemente restrito de niobato de lítio em película fina é de cerca de 1 μm, o que é bastante diferente do campo de modo da fibra óptica, portanto, a transformação de ponto de modo adequada deve ser realizada para corresponder ao campo de modo da fibra óptica.

Em termos de integração, o alto potencial de integração de vários materiais depende principalmente do raio de curvatura do guia de ondas (afetado pela limitação do campo do modo guia de ondas). O guia de ondas fortemente restrito 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 película fina têm o potencial de alcançar alta integração. Consequentemente, o surgimento do niobato de lítio em película fina permite que o material de niobato de lítio desempenhe realmente o papel de "silício" óptico. Para a aplicação de fótons de micro-ondas, as vantagens do niobato de lítio em película fina são mais evidentes.