Material de niobato de lítio de filme fino e modulador de niobato de lítio de filme fino

Vantagens e importância do niobato de lítio de película fina na tecnologia integrada de fótons de micro-ondas

Tecnologia de fótons de microondastem as vantagens de grande largura de banda de trabalho, forte capacidade de processamento paralelo e baixa perda de transmissão, o que tem o potencial de quebrar o gargalo técnico do sistema de microondas tradicional e melhorar o desempenho de equipamentos militares de informação eletrônica, como radar, guerra eletrônica, comunicação e medição e controlar. No entanto, o sistema de fótons de micro-ondas baseado em dispositivos discretos apresenta alguns problemas, como grande volume, peso pesado e baixa estabilidade, que restringem seriamente a aplicação da tecnologia de fótons de micro-ondas em plataformas espaciais e aéreas. Portanto, a tecnologia integrada de fótons de micro-ondas está se tornando um suporte importante para interromper a aplicação de fótons de micro-ondas em sistemas de informação eletrônicos militares e aproveitar ao máximo as vantagens da tecnologia de fótons de micro-ondas.

Atualmente, a tecnologia de integração fotônica baseada em SI e a tecnologia de integração fotônica baseada em INP tornaram-se cada vez mais maduras após anos de desenvolvimento no campo da comunicação óptica, e muitos produtos foram colocados no mercado. No entanto, para a aplicação de fótons de micro-ondas, existem alguns problemas nesses dois tipos de tecnologias de integração de fótons: por exemplo, o coeficiente eletro-óptico não linear do modulador Si e do modulador InP é contrário à alta linearidade e às grandes características dinâmicas buscadas pelas micro-ondas. tecnologia de fótons; Por exemplo, o switch óptico de silício que realiza a comutação do caminho óptico, seja baseado no efeito térmico-óptico, no efeito piezoelétrico ou no efeito de dispersão de injeção de portadora, tem problemas de velocidade de comutação lenta, consumo de energia e consumo de calor, que não podem atender ao rápido varredura de feixe e aplicações de fótons de micro-ondas em grande escala.

O niobato de lítio sempre foi a primeira escolha para alta velocidademodulação eletro-ópticamateriais devido ao seu excelente efeito eletro-óptico linear. No entanto, o niobato de lítio tradicionalmodulador eletro-ópticoé feito de material de cristal de niobato de lítio maciço e o tamanho do dispositivo é muito grande, o que não pode atender às necessidades da tecnologia integrada de fótons de micro-ondas. Como integrar materiais de niobato de lítio com coeficiente eletro-óptico linear no sistema integrado de tecnologia de fótons de micro-ondas tornou-se o objetivo de pesquisadores relevantes. Em 2018, uma equipe de pesquisa da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, relatou pela primeira vez a tecnologia de integração fotônica baseada em niobato de lítio de filme fino na Natureza, porque a tecnologia tem as vantagens de alta integração, grande largura de banda de modulação eletro-óptica e alta linearidade de eletro. -efeito óptico, uma vez lançado, imediatamente chamou a atenção acadêmica e industrial na área de integração fotônica e fotônica de microondas. Do ponto de vista da aplicação de fótons de micro-ondas, este artigo analisa a influência e a importância da tecnologia de integração de fótons baseada em niobato de lítio de película fina no desenvolvimento da tecnologia de fótons de micro-ondas.

Material de niobato de lítio de filme fino e filme finomodulador de niobato de lítio
Nos últimos dois anos, surgiu um novo tipo de material de niobato de lítio, ou seja, o filme de niobato de lítio é esfoliado do cristal maciço de niobato de lítio pelo método de “corte de íons” e ligado ao wafer de Si com uma camada tampão de sílica para formam o material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], que é chamado de material de niobato de lítio de filme fino neste artigo. Guias de ondas Ridge com uma altura de mais de 100 nanômetros podem ser gravados em materiais de niobato de lítio de película fina por processo otimizado de gravação a seco, e a diferença efetiva do índice de refração dos guias de onda formados pode atingir mais de 0,8 (muito maior do que a diferença do índice de refração dos tradicionais guias de ondas de niobato de lítio de 0,02), conforme mostrado na Figura 1. O guia de ondas fortemente restrito torna mais fácil combinar o campo de luz com o campo de microondas ao projetar o modulador. Assim, é benéfico obter tensão de meia onda mais baixa e maior largura de banda de modulação em um comprimento mais curto.

O aparecimento do guia de ondas submícron de niobato de lítio de baixa perda quebra o gargalo da alta tensão de acionamento do modulador eletro-óptico de niobato de lítio tradicional. O espaçamento entre eletrodos pode ser reduzido para ~ 5 μm, e a sobreposição entre o campo elétrico e o campo do modo óptico é bastante aumentada, e o vπ ·L diminui de mais de 20 V·cm para menos de 2,8 V·cm. Portanto, sob a mesma tensão de meia onda, o comprimento do dispositivo pode ser bastante reduzido em comparação com o modulador tradicional. Ao mesmo tempo, após otimizar os parâmetros de largura, espessura e intervalo do eletrodo de onda viajante, conforme mostrado na figura, o modulador pode ter a capacidade de largura de banda de modulação ultra-alta superior a 100 GHz.

Fig.1 （a） distribuição de modo calculada e （b） imagem da seção transversal do guia de ondas LN

Fig.2 （a） Guia de onda e estrutura do eletrodo e （b） placa central do modulador LN

A comparação de moduladores de niobato de lítio de filme fino com moduladores comerciais tradicionais de niobato de lítio, moduladores à base de silício e moduladores de fosfeto de índio (InP) e outros moduladores eletro-ópticos de alta velocidade existentes, os principais parâmetros da comparação incluem:
(1) Produto volt-comprimento de meia onda (vπ ·L, V·cm), medindo a eficiência de modulação do modulador, quanto menor o valor, maior a eficiência de modulação;
(2) largura de banda de modulação de 3 dB (GHz), que mede a resposta do modulador à modulação de alta frequência;
(3) Perda de inserção óptica (dB) na região de modulação. Pode-se ver na tabela que o modulador de niobato de lítio de filme fino tem vantagens óbvias em largura de banda de modulação, tensão de meia onda, perda de interpolação óptica e assim por diante.

O silício, como pedra angular da optoeletrônica integrada, foi desenvolvido até agora, o processo está maduro, sua miniaturização conduz à integração em larga escala de dispositivos ativos/passivos, e seu modulador tem sido ampla e profundamente estudado no campo da óptica. comunicação. O mecanismo de modulação eletro-óptica do silício é principalmente depleção de portadora, injeção de portadora e acumulação de portadora. Entre eles, a largura de banda do modulador é ideal com o mecanismo de depleção de portadora de grau linear, mas como a distribuição do campo óptico se sobrepõe à não uniformidade da região de depleção, este efeito introduzirá distorção não linear de segunda ordem e distorção de intermodulação de terceira ordem. termos, aliado ao efeito de absorção da portadora na luz, o que levará à redução da amplitude da modulação óptica e à distorção do sinal.

O modulador InP possui excelentes efeitos eletro-ópticos, e a estrutura do poço quântico multicamadas pode realizar moduladores de taxa ultra-alta e baixa tensão de acionamento com Vπ·L de até 0,156V · mm. No entanto, a variação do índice de refração com o campo elétrico inclui termos lineares e não lineares, e o aumento da intensidade do campo elétrico tornará proeminente o efeito de segunda ordem. Portanto, os moduladores eletro-ópticos de silício e InP precisam aplicar polarização para formar a junção pn quando funcionam, e a junção pn trará perda de absorção à luz. No entanto, o tamanho do modulador desses dois é pequeno, o tamanho do modulador InP comercial é 1/4 do modulador LN. Alta eficiência de modulação, adequada para redes de transmissão óptica digital de alta densidade e curta distância, como data centers. O efeito eletro-óptico do niobato de lítio não possui mecanismo de absorção de luz e baixa perda, o que é adequado para comunicações coerentes de longa distânciacomunicação ópticacom grande capacidade e alta taxa. Na aplicação de fótons de micro-ondas, os coeficientes eletro-ópticos de Si e InP são não lineares, o que não é adequado para o sistema de fótons de micro-ondas que busca alta linearidade e grande dinâmica. O material de niobato de lítio é muito adequado para aplicação de fótons de micro-ondas devido ao seu coeficiente de modulação eletro-óptica completamente linear.