Introdução à estrutura e ao desempenho deModulador eletro-óptico de niobato de lítio de película fina
An modulador eletro-ópticocom base em diferentes estruturas, comprimentos de onda e plataformas de filmes finos de niobato de lítio, e uma comparação abrangente do desempenho de vários tipos deModuladores EOM, bem como uma análise da pesquisa e aplicação demoduladores de niobato de lítio de película finaem outros campos.
1. Modulador de filme fino de niobato de lítio com cavidade não ressonante
Este tipo de modulador baseia-se no excelente efeito eletro-óptico do cristal de niobato de lítio e é um dispositivo fundamental para alcançar comunicação óptica de alta velocidade e longa distância. Existem três estruturas principais:
1.1 Modulador MZI com eletrodo de onda viajante: Este é o projeto mais típico. O grupo de pesquisa de Lončar, da Universidade de Harvard, obteve pela primeira vez uma versão de alto desempenho em 2018, com melhorias subsequentes, incluindo carregamento capacitivo baseado em substratos de quartzo (alta largura de banda, mas incompatível com substratos de silício) e compatibilidade com substratos de silício por meio de escavação do substrato, alcançando alta largura de banda (>67 GHz) e transmissão de sinal de alta velocidade (como PAM4 de 112 Gbit/s).
1.2 Modulador MZI dobrável: Para reduzir o tamanho do dispositivo e adaptá-lo a módulos compactos como o QSFP-DD, são utilizados tratamento de polarização, guia de onda cruzado ou eletrodos de microestrutura invertida para reduzir o comprimento do dispositivo pela metade e atingir uma largura de banda de 60 GHz.
1.3 Modulador Ortogonal Coerente (IQ) de Polarização Simples/Dupla: Utiliza um formato de modulação de alta ordem para aumentar a taxa de transmissão. O grupo de pesquisa de Cai, da Universidade Sun Yat-sen, alcançou o primeiro modulador IQ de polarização simples integrado em um chip em 2020. O modulador IQ de polarização dupla desenvolvido posteriormente apresenta desempenho ainda melhor, e a versão baseada em substrato de quartzo estabeleceu um recorde de taxa de transmissão de comprimento de onda único de 1,96 Tbit/s.
2. Modulador de niobato de lítio de filme fino do tipo cavidade ressonante
Para obter moduladores de largura de banda ultracompactos e ultralargos, existem diversas estruturas de cavidades ressonantes disponíveis:
2.1 Cristal fotônico (CF) e modulador de microranéis: O grupo de pesquisa de Lin na Universidade de Rochester desenvolveu o primeiro modulador de cristal fotônico de alto desempenho. Além disso, moduladores de microranéis baseados em integração heterogênea e homogênea de niobato de lítio e silício também foram propostos, atingindo larguras de banda de vários GHz.
2.2 Modulador de cavidade ressonante com grade de Bragg: incluindo cavidade Fabry-Perot (FP), grade de Bragg em guia de ondas (WBG) e modulador de luz lenta (SL). Essas estruturas são projetadas para equilibrar tamanho, tolerâncias de processo e desempenho; por exemplo, um modulador de cavidade ressonante FP 2 × 2 atinge uma largura de banda ultralarga superior a 110 GHz. O modulador de luz lenta baseado em grades de Bragg acopladas expande a faixa de largura de banda de operação.
3. Modulador heterogêneo integrado de filme fino de niobato de lítio
Existem três métodos principais de integração para combinar a compatibilidade da tecnologia CMOS em plataformas baseadas em silício com o excelente desempenho de modulação do niobato de lítio:
3.1 Integração heterogênea por ligação: Através da ligação direta com benzociclobuteno (BCB) ou dióxido de silício, o filme fino de niobato de lítio é transferido para uma plataforma de silício ou nitreto de silício, alcançando integração estável em alta temperatura e em nível de wafer. O modulador apresenta alta largura de banda (>70 GHz, podendo ultrapassar 110 GHz) e capacidade de transmissão de sinal em alta velocidade.
3.2 Integração heterogênea de material de guia de onda por deposição: a deposição de silício ou nitreto de silício em filme fino de niobato de lítio como guia de onda de carga também permite uma modulação eletro-óptica eficiente.
3.3 Integração heterogênea por microtransferência de impressão (μTP): Esta é uma tecnologia com grande potencial para produção em larga escala, que transfere dispositivos funcionais pré-fabricados para chips de destino por meio de equipamentos de alta precisão, evitando pós-processamento complexo. Ela já foi aplicada com sucesso em plataformas de nitreto de silício e silício, atingindo larguras de banda de dezenas de GHz.
Em resumo, este artigo descreve sistematicamente o roteiro tecnológico de moduladores eletro-ópticos baseados em plataformas de niobato de lítio de filme fino, desde a busca por estruturas de cavidade não ressonantes de alto desempenho e ampla largura de banda, passando pela exploração de estruturas de cavidade ressonantes miniaturizadas, até a integração com plataformas fotônicas consolidadas baseadas em silício. Demonstra o enorme potencial e o progresso contínuo dos moduladores de niobato de lítio de filme fino para superar o gargalo de desempenho dos moduladores tradicionais e alcançar comunicação óptica de alta velocidade.
Data da publicação: 31/03/2026