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

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

Tecnologia de fótons de micro-ondasApresenta 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 romper o gargalo técnico do sistema de micro-ondas tradicional e melhorar o desempenho de equipamentos de informação eletrônica militar, como radar, guerra eletrônica, comunicação, medição e controle. No entanto, o sistema de fótons de micro-ondas baseado em dispositivos discretos apresenta alguns problemas, como grande volume, peso elevado 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 romper a aplicação de fótons de micro-ondas em sistemas de informação eletrônica militar e aproveitar ao máximo as vantagens da tecnologia de fótons de micro-ondas.

Atualmente, as tecnologias de integração fotônica baseadas em SI e INP tornaram-se cada vez mais maduras após anos de desenvolvimento no campo da comunicação óptica, e muitos produtos foram lançados 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 de Si e do modulador de InP é contrário à alta linearidade e às grandes 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 com base no efeito termo-óptico, efeito piezoelétrico ou efeito de dispersão de injeção de portadora, tem os problemas de baixa velocidade de comutação, consumo de energia e consumo de calor, o que não consegue atender às aplicações de varredura de feixe rápido e 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-ópticoO niobato de lítio é feito de um material cristalino maciço de niobato de lítio, e o tamanho do dispositivo é muito grande, o que não consegue 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 Nature. Como a tecnologia tem as vantagens de alta integração, grande largura de banda de modulação eletro-óptica e alta linearidade do efeito eletro-óptico, uma vez lançada, imediatamente atraiu a atenção acadêmica e industrial no campo da integração fotônica e fotônica de micro-ondas. Da perspectiva 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 filme fino 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 "fatiamento iônico" e ligado à pastilha de Si com uma camada de tampão de sílica para formar o material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], que é chamado de material de niobato de lítio de filme fino neste artigo. Guias de onda de crista com altura superior a 100 nanômetros podem ser gravados em materiais de niobato de lítio de filme fino por meio do processo otimizado de gravação a seco, e a diferença efetiva do índice de refração dos guias de onda formados pode chegar a mais de 0,8 (muito maior do que a diferença do índice de refração dos guias de onda de niobato de lítio tradicionais de 0,02), conforme mostrado na Figura 1. O guia de onda fortemente restrito facilita a correspondência do campo de luz com o campo de micro-ondas ao projetar o modulador. Assim, é benéfico atingir menor tensão de meia onda e maior largura de banda de modulação em um comprimento menor.

O surgimento do guia de onda submicrométrico de niobato de lítio com baixa perda rompe o gargalo da alta tensão de condução dos moduladores eletro-ópticos tradicionais de niobato de lítio. O espaçamento entre os eletrodos pode ser reduzido para ~ 5 μm, e a sobreposição entre o campo elétrico e o campo 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, como mostrado na figura, o modulador pode atingir uma 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） Estrutura do guia de onda e 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 baseados em 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. A tabela mostra que o modulador de niobato de lítio de filme fino apresenta vantagens óbvias em termos de largura de banda de modulação, tensão de meia onda, perda de interpolação óptica, etc.

O silício, como pedra angular da optoeletrônica integrada, foi desenvolvido até o momento, o processo é maduro, sua miniaturização é propícia à integração em larga escala de dispositivos ativos/passivos, e seu modulador tem sido ampla e profundamente estudado no campo da comunicação óptica. 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 ótima 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, esse efeito introduzirá distorção não linear de segunda ordem e termos de distorção de intermodulação de terceira ordem, juntamente com o efeito de absorção da portadora na luz, o que levará à redução da amplitude da modulação óptica e da distorção do sinal.

O modulador InP possui efeitos eletro-ópticos excepcionais, e a estrutura de poço quântico multicamadas permite a realização de moduladores de taxa ultra-alta 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 tornará o efeito de segunda ordem proeminente. Portanto, os moduladores eletro-ópticos de silício e InP precisam aplicar polarização para formar a junção pn quando funcionam, e a junção pn causará perda de absorção da luz. No entanto, o tamanho do modulador desses dois é pequeno; o tamanho do modulador InP comercial é de 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 transmissão coerente de longa distância.comunicação ópticaCom grande capacidade e alta taxa de transferência. 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 niobato de lítio é muito adequado para aplicações de fótons de micro-ondas devido ao seu coeficiente de modulação eletro-óptica completamente linear.