Modulatore elettro-ottico a film sottile di niobato di litio ad alta integrazione

Elevata linearitàmodulatore elettro-otticoe applicazione dei fotoni a microonde
Con le crescenti esigenze dei sistemi di comunicazione, al fine di migliorare ulteriormente l'efficienza di trasmissione dei segnali, si fonderanno fotoni ed elettroni per ottenere vantaggi complementari, e nascerà la fotonica a microonde. Il modulatore elettro-ottico è necessario per la conversione dell'elettricità in luce insistemi fotonici a microondee questo passaggio chiave di solito determina le prestazioni dell'intero sistema. Poiché la conversione del segnale a radiofrequenza in dominio ottico è un processo di segnale analogico e ordinariomodulatori elettro-otticiPresentano una non linearità intrinseca e si verifica una grave distorsione del segnale nel processo di conversione. Per ottenere una modulazione approssimativamente lineare, il punto di funzionamento del modulatore viene solitamente fissato al punto di polarizzazione ortogonale, ma ciò non soddisfa ancora i requisiti di linearità del modulatore richiesti per il collegamento fotonico a microonde. Sono quindi urgentemente necessari modulatori elettro-ottici ad alta linearità.

La modulazione ad alta velocità dell'indice di rifrazione dei materiali al silicio viene solitamente ottenuta tramite l'effetto di dispersione del plasma dei portatori liberi (FCD). Sia l'effetto FCD che la modulazione della giunzione PN sono non lineari, il che rende il modulatore al silicio meno lineare del modulatore al niobato di litio. I materiali al niobato di litio mostrano eccellentimodulazione elettro-otticaproprietà dovute al loro effetto Pucker. Allo stesso tempo, il materiale al niobato di litio ha i vantaggi di un'ampia larghezza di banda, buone caratteristiche di modulazione, basse perdite, facile integrazione e compatibilità con i processi dei semiconduttori, l'uso di film sottili di niobato di litio per realizzare modulatori elettro-ottici ad alte prestazioni, rispetto al silicio quasi senza "cortocircuiti", ma anche per ottenere un'elevata linearità. Il modulatore elettro-ottico su isolante a film sottile di niobato di litio (LNOI) è diventato una promettente direzione di sviluppo. Con lo sviluppo della tecnologia di preparazione del materiale a film sottile di niobato di litio e della tecnologia di incisione della guida d'onda, l'elevata efficienza di conversione e la maggiore integrazione del modulatore elettro-ottico a film sottile di niobato di litio sono diventate un campo di ricerca internazionale per il mondo accademico e industriale.

Caratteristiche del niobato di litio in film sottile
Negli Stati Uniti, il DAP AR planning ha effettuato la seguente valutazione dei materiali a base di niobato di litio: se il centro della rivoluzione elettronica prende il nome dal materiale al silicio che la rende possibile, allora è probabile che il luogo di nascita della rivoluzione fotonica prenda il nome dal niobato di litio. Questo perché il niobato di litio integra in sé l'effetto elettro-ottico, l'effetto acusto-ottico, l'effetto piezoelettrico, l'effetto termoelettrico e l'effetto fotorefrattivo, proprio come i materiali al silicio nel campo dell'ottica.

In termini di caratteristiche di trasmissione ottica, il materiale InP presenta la maggiore perdita di trasmissione on-chip a causa dell'assorbimento della luce nella banda comunemente utilizzata a 1550 nm. Il SiO2 e il nitruro di silicio hanno le migliori caratteristiche di trasmissione e la perdita può raggiungere il livello di ~ 0,01 dB/cm; attualmente, la perdita della guida d'onda in niobato di litio a film sottile può raggiungere il livello di 0,03 dB/cm e la perdita della guida d'onda in niobato di litio a film sottile ha il potenziale per essere ulteriormente ridotta con il continuo miglioramento del livello tecnologico in futuro. Pertanto, il materiale in niobato di litio a film sottile mostrerà buone prestazioni per strutture di luce passive come percorsi fotosintetici, shunt e microring.

In termini di generazione di luce, solo l'InP ha la capacità di emettere luce direttamente; pertanto, per l'applicazione dei fotoni a microonde, è necessario introdurre la sorgente luminosa basata su InP sul chip fotonico integrato basato su LNOI tramite saldatura a carico posteriore o crescita epitassiale. In termini di modulazione della luce, è stato sottolineato in precedenza che il materiale a film sottile di niobato di litio consente di ottenere più facilmente una maggiore larghezza di banda di modulazione, una minore tensione di semionda e una minore perdita di trasmissione rispetto a InP e Si. Inoltre, l'elevata linearità della modulazione elettro-ottica dei materiali a film sottile di niobato di litio è essenziale per tutte le applicazioni dei fotoni a microonde.

In termini di instradamento ottico, l'elevata velocità di risposta elettro-ottica del materiale a film sottile di niobato di litio rende l'interruttore ottico basato su LNOI capace di commutare l'instradamento ottico ad alta velocità, e il consumo energetico di tale commutazione ad alta velocità è anche molto basso. Per l'applicazione tipica della tecnologia fotonica a microonde integrata, il chip di beamforming controllato otticamente ha la capacità di commutare ad alta velocità per soddisfare le esigenze di scansione rapida del fascio, e le caratteristiche di consumo energetico ultra-basso si adattano bene ai requisiti rigorosi dei sistemi phased array su larga scala. Sebbene l'interruttore ottico basato su InP possa anche realizzare una commutazione del percorso ottico ad alta velocità, introduce un rumore elevato, soprattutto quando l'interruttore ottico multilivello è in cascata, il coefficiente di rumore si deteriora seriamente. I materiali a base di silicio, SiO2 e nitruro di silicio possono commutare i percorsi ottici solo attraverso l'effetto termo-ottico o l'effetto di dispersione dei portatori, il che presenta gli svantaggi di un elevato consumo energetico e una bassa velocità di commutazione. Quando la dimensione dell'array phased array è grande, non può soddisfare i requisiti di consumo energetico.

In termini di amplificazione ottica, l'amplificatore ottico a semiconduttore (SOAI dispositivi basati su InP sono maturi per l'uso commerciale, ma presentano gli svantaggi di un elevato coefficiente di rumore e una bassa potenza di uscita di saturazione, il che non li rende adatti all'applicazione dei fotoni a microonde. Il processo di amplificazione parametrica della guida d'onda in niobato di litio a film sottile, basato su attivazione e inversione periodiche, può realizzare un'amplificazione ottica su chip a basso rumore e alta potenza, che soddisfa pienamente i requisiti della tecnologia integrata dei fotoni a microonde per l'amplificazione ottica su chip.

In termini di rilevamento della luce, il film sottile di niobato di litio presenta buone caratteristiche di trasmissione della luce nella banda a 1550 nm. La funzione di conversione fotoelettrica non può essere realizzata, quindi per le applicazioni fotoniche a microonde, al fine di soddisfare i requisiti di conversione fotoelettrica sul chip, è necessario introdurre unità di rilevamento InGaAs o Ge-Si sui chip fotonici integrati basati su LNOI mediante saldatura a carico posteriore o crescita epitassiale. In termini di accoppiamento con la fibra ottica, poiché la fibra ottica stessa è in materiale SiO2, il campo modale della guida d'onda in SiO2 ha il più alto grado di corrispondenza con il campo modale della fibra ottica e l'accoppiamento è il più conveniente. Il diametro del campo modale della guida d'onda fortemente ristretta del film sottile di niobato di litio è di circa 1 μm, che è piuttosto diverso dal campo modale della fibra ottica, quindi è necessario eseguire un'opportuna trasformazione del punto modale per adattarlo al campo modale della fibra ottica.

In termini di integrazione, il potenziale di integrazione di vari materiali dipende principalmente dal raggio di curvatura della guida d'onda (influenzato dalla limitazione del campo modale della guida d'onda). Una guida d'onda fortemente ristretta consente un raggio di curvatura minore, che favorisce la realizzazione di un'elevata integrazione. Pertanto, le guide d'onda in niobato di litio a film sottile hanno il potenziale per raggiungere un'elevata integrazione. Di conseguenza, la comparsa del niobato di litio a film sottile rende possibile per questo materiale di svolgere effettivamente il ruolo di "silicio" ottico. Per le applicazioni con fotoni a microonde, i vantaggi del niobato di litio a film sottile sono ancora più evidenti.