Introduzione alla struttura e alle prestazioni diModulatore elettro-ottico a film sottile di niobato di litio
An modulatore elettro-otticobasato su diverse strutture, lunghezze d'onda e piattaforme di niobato di litio a film sottile e un confronto completo delle prestazioni di vari tipi diModulatori EOM, nonché un'analisi della ricerca e dell'applicazione dimodulatori a film sottile di niobato di litioin altri campi.
1. Modulatore a film sottile di niobato di litio con cavità non risonante
Questo tipo di modulatore si basa sull'eccellente effetto elettro-ottico del cristallo di niobato di litio ed è un dispositivo chiave per realizzare comunicazioni ottiche ad alta velocità e a lunga distanza. Esistono tre strutture principali:
1.1 Modulatore MZI a elettrodo a onda progressiva: questo è il design più tipico. Il gruppo di ricerca di Lončar presso l'Università di Harvard ha realizzato per la prima volta una versione ad alte prestazioni nel 2018, con successivi miglioramenti che includono il caricamento capacitivo basato su substrati di quarzo (elevata larghezza di banda ma incompatibile con quelli a base di silicio) e la compatibilità con i substrati a base di silicio tramite la cavità del substrato, ottenendo un'elevata larghezza di banda (>67 GHz) e una trasmissione del segnale ad alta velocità (come 112 Gbit/s PAM4).
1.2 Modulatore MZI pieghevole: Per ridurre le dimensioni del dispositivo e adattarlo a moduli compatti come QSFP-DD, vengono utilizzati trattamenti di polarizzazione, guide d'onda incrociate o elettrodi a microstruttura invertita per dimezzare la lunghezza del dispositivo e ottenere una larghezza di banda di 60 GHz.
1.3 Modulatore ortogonale coerente (IQ) a polarizzazione singola/doppia: utilizza un formato di modulazione di ordine superiore per migliorare la velocità di trasmissione. Il gruppo di ricerca Cai dell'Università Sun Yat-sen ha realizzato il primo modulatore IQ a polarizzazione singola su chip nel 2020. Il modulatore IQ a doppia polarizzazione sviluppato successivamente offre prestazioni migliori e la versione basata su substrato di quarzo ha stabilito un record di velocità di trasmissione a singola lunghezza d'onda di 1,96 Tbit/s.
2. Modulatore a film sottile di niobato di litio a cavità risonante
Per realizzare modulatori a banda ultra-piccola e a banda ultra-ampia, sono disponibili diverse strutture di cavità risonanti:
2.1 Cristallo fotonico (PC) e modulatore a microanello: il gruppo di ricerca di Lin presso l'Università di Rochester ha sviluppato il primo modulatore a cristallo fotonico ad alte prestazioni. Inoltre, sono stati proposti anche modulatori a microanello basati sull'integrazione eterogenea e omogenea del niobato di litio-silicio, che raggiungono larghezze di banda di diversi GHz.
2.2 Modulatore a cavità risonante con reticolo di Bragg: comprende cavità Fabry-Perot (FP), reticolo di Bragg a guida d'onda (WBG) e modulatore a luce lenta (SL). Queste strutture sono progettate per bilanciare dimensioni, tolleranze di processo e prestazioni; ad esempio, un modulatore a cavità risonante FP 2 × 2 raggiunge una larghezza di banda estremamente ampia, superiore a 110 GHz. Il modulatore a luce lenta basato su reticolo di Bragg accoppiato amplia ulteriormente la gamma di larghezza di banda operativa.
3. Modulatore eterogeneo integrato a film sottile di niobato di litio
Esistono tre principali metodi di integrazione per combinare la compatibilità della tecnologia CMOS su piattaforme a base di silicio con le eccellenti prestazioni di modulazione del niobato di litio:
3.1 Integrazione eterogenea di tipo Bond: Tramite legame diretto con benzociclobutene (BCB) o biossido di silicio, il niobato di litio in film sottile viene trasferito su una piattaforma di silicio o nitruro di silicio, ottenendo un'integrazione a livello di wafer, stabile ad alta temperatura. Il modulatore presenta un'elevata larghezza di banda (>70 GHz, anche superiore a 110 GHz) e capacità di trasmissione del segnale ad alta velocità.
3.2 Integrazione eterogenea del materiale guida d'onda di deposizione: la deposizione di silicio o nitruro di silicio su un film sottile di niobato di litio come guida d'onda di carico consente anche di ottenere un'efficiente modulazione elettro-ottica.
3.3 Integrazione eterogenea tramite micro-trasferimento di dati (μTP): Questa tecnologia, destinata alla produzione su larga scala, trasferisce dispositivi funzionali prefabbricati su chip di destinazione tramite apparecchiature di alta precisione, evitando complesse fasi di post-elaborazione. È stata applicata con successo a piattaforme in nitruro di silicio e a base di silicio, raggiungendo larghezze di banda di decine di GHz.
In sintesi, questo articolo delinea sistematicamente la roadmap tecnologica dei modulatori elettro-ottici basati su piattaforme di niobato di litio a film sottile, partendo dalla ricerca di strutture a cavità non risonanti ad alte prestazioni e ad ampia larghezza di banda, esplorando strutture a cavità risonanti miniaturizzate e integrandosi con piattaforme fotoniche consolidate basate sul silicio. Dimostra l'enorme potenziale e il continuo progresso dei modulatori a niobato di litio a film sottile nel superare i limiti prestazionali dei modulatori tradizionali e nel raggiungere la comunicazione ottica ad alta velocità.
Data di pubblicazione: 31 marzo 2026