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

Alta linearidademodulador eletro-ópticoe aplicação de fótons de microondas
Com os crescentes requisitos dos sistemas de comunicação, a fim de melhorar ainda mais a eficiência da transmissão de sinais, as pessoas fundirão fótons e elétrons para obter vantagens complementares, e nascerá a fotônica de microondas. O modulador eletro-óptico é necessário para a conversão de eletricidade em luz emsistemas fotônicos de microondas, e esta etapa principal geralmente determina o desempenho de todo o sistema. Como a conversão do sinal de radiofrequência em domínio óptico é um processo de sinal analógico, emoduladores eletro-ópticostêm não linearidade inerente, há séria distorção de 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 não pode atender aos requisitos do link de fótons de micro-ondas para a linearidade do modulador. Moduladores eletro-ópticos com alta linearidade são urgentemente necessários.

A modulação do índice de refração de alta velocidade dos materiais de silício é geralmente alcançada pelo efeito de dispersão de plasma de transportador livre (FCD). Tanto o efeito FCD quanto a modulação da junção PN são não lineares, o que torna o modulador de silício menos linear 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 tem as vantagens de grande largura de banda, boas características de modulação, baixa perda, fácil integração e compatibilidade com processo semicondutor, o uso de niobato de lítio de filme fino para fazer modulador eletro-óptico de alto desempenho, em comparação com silício quase nenhuma “placa curta”, mas também para alcançar alta linearidade. O modulador eletro-óptico de niobato de lítio de filme fino (LNOI) no isolador tornou-se uma direção de desenvolvimento promissora. Com o desenvolvimento da tecnologia de preparação de material de niobato de lítio de filme fino e da tecnologia de gravação de guia de onda, a alta eficiência de conversão e maior integração do modulador eletro-óptico de niobato de lítio de filme fino tornou-se o campo da academia e da indústria internacionais.

Características do niobato de lítio de filme fino
Nos Estados Unidos, o planejamento do DAP AR fez 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 local de nascimento da revolução fotônica provavelmente receberá o nome de niobato de lítio. . Isso ocorre porque o niobato de lítio integra efeito eletro-óptico, efeito acústico-óptico, efeito piezoelétrico, efeito termoelétrico e efeito fotorrefrativo em um, assim como os materiais de silício no campo da óptica.

Em termos de características de transmissão óptica, o material InP tem a maior perda de transmissão no chip devido à absorção de luz na banda comumente usada de 1550 nm. SiO2 e nitreto de silício possuem as melhores características de transmissão e a perda pode atingir o nível de ~ 0,01dB/cm; Atualmente, a perda do guia de ondas de niobato de lítio de película fina pode atingir o nível de 0,03dB/cm, e a perda do guia de ondas de niobato de lítio de película fina tem o potencial de ser ainda mais reduzida com a melhoria contínua do nível tecnológico no futuro. Portanto, o material de niobato de lítio de película fina apresentará bom desempenho para estruturas de luz passivas, como caminho fotossintético, shunt e microanel.

Em termos de geração de luz, apenas o InP tem 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 de backloading ou crescimento epitaxial. Em termos de modulação de luz, foi enfatizado acima que o material de niobato de lítio de película fina é mais fácil de obter maior largura de banda de modulação, menor tensão de meia onda e menor perda de transmissão do que InP e Si. Além disso, a alta linearidade da modulação eletro-óptica de materiais de niobato de lítio de película fina 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 de filme fino torna o switch 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 tem a capacidade de comutação de alta velocidade para atender às necessidades de varredura rápida de feixe, e as características de consumo de energia ultrabaixo são bem adaptadas aos requisitos rigorosos de grandes sistema phased array em escala. Embora o switch óptico baseado em InP também possa realizar comutação de caminho óptico de alta velocidade, ele introduzirá grande ruído, especialmente quando o switch óptico multinível estiver em cascata, o coeficiente de ruído será seriamente deteriorado. Os materiais de silício, SiO2 e nitreto de silício só podem alternar caminhos ópticos através do efeito termo-óptico ou efeito de dispersão de portadora, que tem as desvantagens de alto consumo de energia e velocidade de comutação lenta. Quando o tamanho do array phased array é grande, ele não consegue atender aos requisitos de consumo de energia.

Em termos de amplificação óptica, oamplificador óptico semicondutor (SOA) baseado em InP está maduro para uso comercial, mas tem as desvantagens de alto coeficiente de ruído e baixa potência de saída de saturação, o que não favorece a aplicação de fótons de micro-ondas. O processo de amplificação paramétrica do guia de ondas de niobato de lítio de filme fino baseado na ativação e inversão periódicas pode alcançar amplificação óptica no 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 no chip.

Em termos de detecção de luz, o niobato de lítio de película fina possui boas características de transmissão à luz na banda 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 InGaAs ou Ge-Si precisam ser introduzidas em chips fotônicos integrados baseados em LNOI por soldagem de backload ou crescimento epitaxial. Em termos de acoplamento com fibra óptica, como a própria fibra óptica é um material SiO2, o campo de modo do guia de ondas 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 modal do guia de ondas fortemente restrito do niobato de lítio de filme fino é de cerca de 1 μm, o que é bastante diferente do campo modal da fibra óptica, portanto, a transformação pontual do modo adequada deve ser realizada para corresponder ao campo modal da fibra óptica.

Em termos de integração, se vários materiais têm um alto potencial de integração depende principalmente do raio de curvatura do guia de ondas (afetado pela limitação do campo do modo do guia de ondas). O guia de ondas fortemente restrito permite um raio de curvatura menor, o que é mais propício à realização de alta integração. Portanto, os guias de ondas de niobato de lítio de película fina têm o potencial de alcançar alta integração. Portanto, o aparecimento de niobato de lítio em película fina torna possível que o material de niobato de lítio realmente desempenhe o papel de “silício” óptico. Para a aplicação de fótons de micro-ondas, as vantagens do niobato de lítio de película fina são mais óbvias.