Material de niobato de lítio em película fina e modulador de niobato de lítio em película fina

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

Tecnologia de fótons de micro-ondasA tecnologia de fótons de micro-ondas apresenta vantagens como ampla largura de banda de trabalho, forte capacidade de processamento paralelo e baixa perda de transmissão, o que lhe confere potencial para superar as limitações técnicas dos sistemas de micro-ondas tradicionais e aprimorar o desempenho de equipamentos eletrônicos militares, como radares, sistemas de guerra eletrônica, comunicação e sistemas de medição e controle. Entretanto, os sistemas de fótons de micro-ondas baseados em dispositivos discretos apresentam algumas limitações, como grande volume, peso elevado e baixa estabilidade, o que restringe seriamente a aplicação dessa tecnologia em plataformas espaciais e aéreas. Portanto, a tecnologia integrada de fótons de micro-ondas surge como um importante suporte para viabilizar a aplicação dessa tecnologia em sistemas eletrônicos militares e explorar ao máximo suas vantagens.

Atualmente, as tecnologias de integração fotônica baseadas em silício (SI) e em polímero de indução (INP) tornaram-se cada vez mais maduras após anos de desenvolvimento no campo da comunicação óptica, e muitos produtos já foram lançados no mercado. No entanto, para a aplicação em fótons de micro-ondas, existem alguns problemas nessas duas tecnologias de integração fotônica: por exemplo, o coeficiente eletro-óptico não linear dos moduladores de silício e de polímero de indução (InP) é contrário à alta linearidade e às amplas características dinâmicas buscadas pela tecnologia de fótons de micro-ondas; por exemplo, o interruptor óptico de silício que realiza a comutação do caminho óptico, seja baseado no efeito termo-óptico, no efeito piezoelétrico ou no efeito de dispersão por injeção de portadores, apresenta problemas como baixa velocidade de comutação, alto consumo de energia e geração de calor, o que não atende às necessidades de varredura rápida de feixe e aplicações em larga escala de fótons de micro-ondas.

O niobato de lítio sempre foi a primeira escolha para alta velocidade.modulação eletro-ópticamateriais devido ao seu excelente efeito eletro-óptico linear. No entanto, o niobato de lítio tradicionalmodulador eletro-ópticoO dispositivo é feito de material cristalino de niobato de lítio maciço e seu tamanho é muito grande, o que não atende às necessidades da tecnologia fotônica integrada de micro-ondas. Como integrar materiais de niobato de lítio com coeficiente eletro-óptico linear em um sistema de tecnologia fotônica integrada de micro-ondas tornou-se o objetivo de pesquisadores da área. Em 2018, uma equipe de pesquisa da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, relatou pela primeira vez na revista Nature a tecnologia de integração fotônica baseada em filmes finos de niobato de lítio. Devido às vantagens dessa tecnologia, como alta integração, ampla largura de banda de modulação eletro-óptica e alta linearidade do efeito eletro-óptico, sua rápida implementação despertou o interesse da academia e da indústria no campo da integração fotônica e da fotônica de micro-ondas. Sob a perspectiva da aplicação fotônica de micro-ondas, este artigo revisa a influência e a importância da tecnologia de integração fotônica baseada em filmes finos de niobato de lítio para o desenvolvimento dessa tecnologia.

Material de niobato de lítio em película fina e película finamodulador 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 iônico" e ligado à pastilha de silício com uma camada de sílica para formar o material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], que neste artigo é denominado material de niobato de lítio em filme fino. Guias de onda em forma de crista com altura superior a 100 nanômetros podem ser gravados em materiais de niobato de lítio em filme fino por meio de um processo de gravação a seco otimizado, e a diferença de índice de refração efetiva dos guias de onda formados pode atingir mais de 0,8 (muito superior à diferença de índice de refração dos guias de onda de niobato de lítio tradicionais, de 0,02), como mostrado na Figura 1. O guia de onda fortemente restrito facilita a correspondência do campo de luz com o campo de micro-ondas durante o projeto do modulador. Assim, é vantajoso obter uma tensão de meia onda mais baixa e uma largura de banda de modulação maior em um comprimento menor.

O surgimento de guias de onda submicrométricos de niobato de lítio com baixa perda supera a limitação da alta tensão de acionamento dos moduladores eletro-ópticos de niobato de lítio tradicionais. O espaçamento entre os eletrodos pode ser reduzido para aproximadamente 5 μm, e a sobreposição entre o campo elétrico e o campo do modo óptico é significativamente aumentada, reduzindo a relação vπ·L 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 consideravelmente reduzido em comparação com os moduladores tradicionais. Além disso, após a otimização dos parâmetros de largura, espessura e espaçamento dos eletrodos da onda progressiva, conforme ilustrado na figura, o modulador apresenta uma largura de banda de modulação ultra-alta, superior a 100 GHz.

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

Figura 2 (a) Estrutura do guia de ondas e eletrodos e (b) placa central do modulador LN

A comparação de moduladores de niobato de lítio de película fina com moduladores comerciais tradicionais de niobato de lítio, moduladores à base de silício e moduladores de fosfeto de índio (InP), bem como outros moduladores eletro-ópticos de alta velocidade existentes, inclui os seguintes parâmetros principais:
(1) Produto volt-comprimento de meia onda (vπ ·L, V·cm), que mede 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 observar na tabela que o modulador de niobato de lítio de filme fino apresenta 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, está em pleno desenvolvimento, seu processo é maduro, sua miniaturização é propícia à integração em larga escala de dispositivos ativos/passivos, e seu modulador tem sido amplamente estudado no campo da comunicação óptica. O mecanismo de modulação eletro-óptica do silício baseia-se principalmente na depleção, injeção e acumulação de portadores. Dentre eles, a largura de banda do modulador é otimizada com o mecanismo de depleção de portadores de grau linear, mas como a distribuição do campo óptico se sobrepõe à não uniformidade da região de depleção, esse efeito introduz distorções não lineares de segunda ordem e termos de distorção de intermodulação de terceira ordem, juntamente com o efeito de absorção dos portadores na luz, o que leva à redução da amplitude da modulação óptica e à distorção do sinal.

O modulador de InP apresenta excelentes efeitos eletro-ópticos, e a estrutura de poço quântico multicamadas permite a modulação com taxas ultrarrápidas e baixa tensão de acionamento, com Vπ·L de até 0,156 V·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 torna o efeito de segunda ordem proeminente. Portanto, os moduladores eletro-ópticos de silício e InP necessitam de polarização para formar a junção pn durante a operação, e a junção pn acarreta perdas por absorção de luz. Contudo, o tamanho dos moduladores desses dois materiais é pequeno; o modulador comercial de InP tem 1/4 do tamanho do modulador de niobato de lítio. Apresenta alta eficiência de modulação, sendo adequado 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 apresenta baixa perda, sendo adequado para transmissão coerente de longa distância.comunicação ópticaCom grande capacidade e alta taxa de transferência. Em aplicações de fótons de micro-ondas, os coeficientes eletro-ópticos do Si e do InP são não lineares, o que não é adequado para sistemas de fótons de micro-ondas que buscam alta linearidade e grande dinâmica. O niobato de lítio é um material muito adequado para aplicações de fótons de micro-ondas devido ao seu coeficiente de modulação eletro-óptica completamente linear.