Vantaggi e importanza del niobato di litio a film sottile nella tecnologia integrata dei fotoni a microonde
Tecnologia dei fotoni a microondeOffre i vantaggi di un'ampia larghezza di banda di lavoro, una solida capacità di elaborazione parallela e una bassa perdita di trasmissione, il che ha il potenziale di superare il collo di bottiglia tecnico dei tradizionali sistemi a microonde e migliorare le prestazioni delle apparecchiature informatiche elettroniche militari come radar, sistemi per la guerra elettronica, comunicazioni, misurazione e controllo. Tuttavia, il sistema a fotoni a microonde basato su dispositivi discreti presenta alcuni problemi, come il volume elevato, il peso elevato e la scarsa stabilità, che limitano seriamente l'applicazione della tecnologia a fotoni a microonde nelle piattaforme spaziali e aeree. Pertanto, la tecnologia integrata a fotoni a microonde sta diventando un importante supporto per superare l'applicazione dei fotoni a microonde nei sistemi informativi elettronici militari e sfruttare appieno i vantaggi della tecnologia a fotoni a microonde.
Attualmente, la tecnologia di integrazione fotonica basata su SI e quella basata su INP hanno raggiunto un livello di maturità crescente dopo anni di sviluppo nel campo delle comunicazioni ottiche, e numerosi prodotti sono stati immessi sul mercato. Tuttavia, per l'applicazione dei fotoni a microonde, questi due tipi di tecnologie di integrazione fotonica presentano alcuni problemi: ad esempio, il coefficiente elettro-ottico non lineare del modulatore Si e del modulatore InP è in contrasto con l'elevata linearità e le ampie caratteristiche dinamiche perseguite dalla tecnologia dei fotoni a microonde; ad esempio, l'interruttore ottico al silicio che realizza la commutazione del percorso ottico, sia esso basato sull'effetto termo-ottico, piezoelettrico o sull'effetto di dispersione dell'iniezione di portatori, presenta i problemi di bassa velocità di commutazione, consumo energetico e termico, che non possono soddisfare le applicazioni di scansione rapida del fascio e di fotoni a microonde su larga scala.
Il niobato di litio è sempre stata la prima scelta per l'alta velocitàmodulazione elettrootticamateriali grazie al suo eccellente effetto elettro-ottico lineare. Tuttavia, il tradizionale niobato di litiomodulatore elettro-otticoÈ realizzato in materiale cristallino di niobato di litio massiccio e le dimensioni del dispositivo sono molto grandi, il che non può soddisfare le esigenze della tecnologia integrata dei fotoni a microonde. L'integrazione di materiali in niobato di litio con coefficiente elettro-ottico lineare nel sistema integrato della tecnologia dei fotoni a microonde è diventato l'obiettivo dei ricercatori più competenti. Nel 2018, un team di ricerca dell'Università di Harvard negli Stati Uniti ha pubblicato per la prima volta su Nature la tecnologia di integrazione fotonica basata sul niobato di litio a film sottile. Grazie ai vantaggi di elevata integrazione, ampia larghezza di banda di modulazione elettro-ottica ed elevata linearità dell'effetto elettro-ottico, questa tecnologia, una volta lanciata, ha immediatamente attirato l'attenzione accademica e industriale nel campo dell'integrazione fotonica e della fotonica a microonde. Dal punto di vista dell'applicazione dei fotoni a microonde, questo articolo esamina l'influenza e l'importanza della tecnologia di integrazione fotonica basata sul niobato di litio a film sottile nello sviluppo della tecnologia dei fotoni a microonde.
Materiale di niobato di litio a film sottile e film sottilemodulatore di niobato di litio
Negli ultimi due anni è emerso un nuovo tipo di materiale in niobato di litio, ovvero il film di niobato di litio viene esfoliato dal massiccio cristallo di niobato di litio mediante il metodo di "ion slicing" e legato al wafer di Si con uno strato tampone di silice per formare un materiale LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], che in questo articolo viene chiamato materiale in niobato di litio a film sottile. Guide d'onda a cresta con un'altezza superiore a 100 nanometri possono essere incise su materiali in niobato di litio a film sottile mediante un processo di incisione a secco ottimizzato e la differenza effettiva dell'indice di rifrazione delle guide d'onda formate può raggiungere oltre 0,8 (molto superiore alla differenza dell'indice di rifrazione delle tradizionali guide d'onda in niobato di litio di 0,02), come mostrato in Figura 1. La guida d'onda fortemente ristretta facilita l'adattamento del campo luminoso con il campo a microonde durante la progettazione del modulatore. Pertanto, è vantaggioso ottenere una tensione a semionda inferiore e una maggiore larghezza di banda di modulazione in una lunghezza inferiore.
L'introduzione della guida d'onda submicronica in niobato di litio a bassa perdita elimina il collo di bottiglia dovuto all'elevata tensione di pilotaggio dei tradizionali modulatori elettro-ottici in niobato di litio. La spaziatura degli elettrodi può essere ridotta a circa 5 μm, la sovrapposizione tra il campo elettrico e il campo modale ottico aumenta notevolmente e il vπ·L diminuisce da oltre 20 V·cm a meno di 2,8 V·cm. Pertanto, a parità di tensione a semionda, la lunghezza del dispositivo può essere notevolmente ridotta rispetto al modulatore tradizionale. Allo stesso tempo, dopo aver ottimizzato i parametri di larghezza, spessore e intervallo dell'elettrodo a onda progressiva, come mostrato in figura, il modulatore può raggiungere una larghezza di banda di modulazione ultraelevata, superiore a 100 GHz.
Fig.1 （a） distribuzione modale calcolata e （b） immagine della sezione trasversale della guida d'onda LN
Fig.2 (a) Struttura della guida d'onda e dell'elettrodo e (b) piastra centrale del modulatore LN
Confrontando i modulatori al niobato di litio a film sottile con i modulatori commerciali tradizionali al niobato di litio, i modulatori al silicio e i modulatori al fosfuro di indio (InP) e altri modulatori elettro-ottici ad alta velocità esistenti, i parametri principali del confronto includono:
(1) Prodotto tensione-lunghezza a semionda (vπ ·L, V·cm), che misura l'efficienza di modulazione del modulatore, minore è il valore, maggiore è l'efficienza di modulazione;
(2) Larghezza di banda di modulazione di 3 dB (GHz), che misura la risposta del modulatore alla modulazione ad alta frequenza;
(3) Perdita di inserzione ottica (dB) nella regione di modulazione. Dalla tabella si può osservare che il modulatore a film sottile in niobato di litio presenta evidenti vantaggi in termini di larghezza di banda di modulazione, tensione a semionda, perdita di interpolazione ottica e così via.
Il silicio, pietra angolare dell'optoelettronica integrata, è stato finora sviluppato, il processo è maturo, la sua miniaturizzazione favorisce l'integrazione su larga scala di dispositivi attivi/passivi e il suo modulatore è stato ampiamente e approfonditamente studiato nel campo delle comunicazioni ottiche. Il meccanismo di modulazione elettro-ottica del silicio è principalmente basato sulla deplezione, l'iniezione e l'accumulo di portatori. Tra questi, la larghezza di banda del modulatore è ottimale con il meccanismo di deplezione lineare dei portatori, ma poiché la distribuzione del campo ottico si sovrappone alla non uniformità della regione di deplezione, questo effetto introdurrà termini di distorsione non lineare del secondo ordine e di distorsione di intermodulazione del terzo ordine, insieme all'effetto di assorbimento del portante sulla luce, che porterà alla riduzione dell'ampiezza della modulazione ottica e della distorsione del segnale.
Il modulatore InP ha effetti elettro-ottici eccezionali e la struttura a pozzo quantico multistrato può realizzare modulatori ad altissima velocità e bassa tensione di pilotaggio con Vπ·L fino a 0,156 V·mm. Tuttavia, la variazione dell'indice di rifrazione con il campo elettrico include termini lineari e non lineari e l'aumento dell'intensità del campo elettrico renderà evidente l'effetto di secondo ordine. Pertanto, i modulatori elettro-ottici in silicio e InP devono applicare polarizzazione per formare una giunzione pn quando funzionano, e la giunzione pn porterà alla luce una perdita di assorbimento. Tuttavia, le dimensioni del modulatore di questi due sono ridotte, le dimensioni del modulatore InP commerciale sono 1/4 di quelle del modulatore LN. Elevata efficienza di modulazione, adatta a reti di trasmissione ottica digitale ad alta densità e breve distanza come i data center. L'effetto elettro-ottico del niobato di litio non presenta meccanismi di assorbimento della luce e basse perdite, il che lo rende adatto per reti coerenti a lunga distanza.comunicazione otticaCon grande capacità e alta velocità. Nell'applicazione dei fotoni a microonde, i coefficienti elettro-ottici di Si e InP sono non lineari, il che non è adatto al sistema a fotoni a microonde che persegue elevata linearità e grande dinamica. Il materiale in niobato di litio è molto adatto all'applicazione dei fotoni a microonde grazie al suo coefficiente di modulazione elettro-ottica completamente lineare.
Data di pubblicazione: 22 aprile 2024