Vantaggi e importanza del niobato di litio a film sottile nella tecnologia integrata a fotoni e microonde.
Tecnologia fotonica a microondePresenta i vantaggi di un'ampia larghezza di banda operativa, una forte capacità di elaborazione parallela e basse perdite di trasmissione, che hanno il potenziale per superare il collo di bottiglia tecnico dei sistemi a microonde tradizionali e migliorare le prestazioni delle apparecchiature elettroniche militari come radar, guerra elettronica, comunicazioni e misurazione e controllo. Tuttavia, i sistemi a fotoni a microonde basati su dispositivi discreti presentano alcuni problemi come volume elevato, peso elevato e scarsa stabilità, che limitano seriamente l'applicazione della tecnologia a fotoni a microonde su piattaforme spaziali e aeree. Pertanto, la tecnologia integrata a fotoni a microonde sta diventando un supporto importante per superare l'applicazione dei fotoni a microonde nei sistemi elettronici militari e sfruttare appieno i vantaggi della tecnologia a fotoni a microonde.
Attualmente, le tecnologie di integrazione fotonica basate su SI e INP sono diventate sempre più mature dopo anni di sviluppo nel campo delle comunicazioni ottiche, e molti prodotti sono già stati immessi sul mercato. Tuttavia, per le applicazioni con fotoni a microonde, queste due tipologie di tecnologie di integrazione fotonica presentano alcuni problemi: ad esempio, il coefficiente elettro-ottico non lineare dei modulatori in Si e InP è in contrasto con l'elevata linearità e le ampie caratteristiche dinamiche ricercate dalla tecnologia con fotoni a microonde; inoltre, gli interruttori ottici in silicio che realizzano la commutazione del percorso ottico, siano essi basati sull'effetto termo-ottico, sull'effetto piezoelettrico o sull'effetto di dispersione dell'iniezione di portatori, presentano problemi di bassa velocità di commutazione, consumo energetico e dissipazione di calore, che non consentono di soddisfare le esigenze di scansione rapida del fascio e di applicazioni con fotoni a microonde su larga scala e con array di grandi dimensioni.
Il niobato di litio è sempre stata la prima scelta per le applicazioni ad alta velocità.modulazione elettro-otticamateriali grazie al suo eccellente effetto elettro-ottico lineare. Tuttavia, il niobato di litio tradizionalemodulatore 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 fotonica a microonde integrata. Come integrare materiali di niobato di litio con coefficiente elettro-ottico lineare nel sistema di tecnologia fotonica a microonde integrata è diventato l'obiettivo dei ricercatori del settore. Nel 2018, un team di ricerca dell'Università di Harvard negli Stati Uniti ha riportato per la prima volta su Nature la tecnologia di integrazione fotonica basata su film sottile di niobato di litio. Poiché questa tecnologia presenta i vantaggi di un'elevata integrazione, un'ampia larghezza di banda di modulazione elettro-ottica e un'elevata linearità dell'effetto elettro-ottico, una volta lanciata ha immediatamente suscitato 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 il significato della tecnologia di integrazione fotonica basata su film sottile di niobato di litio sullo sviluppo della tecnologia fotonica a microonde.
Materiale in niobato di litio a film sottile e film sottilemodulatore al niobato di litio
Negli ultimi due anni è emerso un nuovo tipo di materiale al niobato di litio, ovvero un film di niobato di litio esfoliato dal cristallo massiccio di niobato di litio mediante il metodo di "taglio ionico" e legato al wafer di Si con uno strato tampone di silice per formare il materiale LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], che in questo articolo viene chiamato materiale al niobato di litio a film sottile. Guide d'onda a cresta con un'altezza superiore a 100 nanometri possono essere incise su materiali al niobato di litio a film sottile mediante un processo di incisione a secco ottimizzato, e la differenza di indice di rifrazione effettiva delle guide d'onda formate può raggiungere più di 0,8 (molto superiore alla differenza di indice di rifrazione delle tradizionali guide d'onda al 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 di semionda inferiore e una maggiore larghezza di banda di modulazione in una lunghezza più breve.
La comparsa di una guida d'onda submicronica in niobato di litio a bassa perdita supera il collo di bottiglia dell'elevata tensione di pilotaggio dei modulatori elettro-ottici tradizionali in niobato di litio. La spaziatura degli elettrodi può essere ridotta a circa 5 μm e la sovrapposizione tra il campo elettrico e il campo del modo ottico è notevolmente aumentata, e vπ ·L diminuisce da oltre 20 V·cm a meno di 2,8 V·cm. Pertanto, a parità di tensione di 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 avere una larghezza di banda di modulazione ultraelevata superiore a 100 GHz.
Figura 1 (a) Distribuzione modale calcolata e (b) immagine della sezione trasversale della guida d'onda LN
Figura 2 (a) Struttura della guida d'onda e dell'elettrodo e (b) piastra centrale del modulatore LN
Il confronto tra i modulatori a film sottile di niobato di litio e i modulatori commerciali tradizionali di niobato di litio, i modulatori a base di silicio e i modulatori di fosfuro di indio (InP) e altri modulatori elettro-ottici ad alta velocità esistenti, si basa sui seguenti parametri principali:
(1) Prodotto semionda volt-lunghezza (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 a 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 notare che il modulatore a film sottile di niobato di litio presenta vantaggi evidenti in termini di larghezza di banda di modulazione, tensione di semionda, perdita di interpolazione ottica e così via.
Il silicio, quale pietra angolare dell'optoelettronica integrata, è stato sviluppato fino ad oggi, 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 si basa principalmente sull'esaurimento, l'iniezione e l'accumulo di portatori di carica. Tra questi, la larghezza di banda del modulatore è ottimale con il meccanismo di esaurimento lineare dei portatori di carica, ma poiché la distribuzione del campo ottico si sovrappone alla non uniformità della regione di esaurimento, questo effetto introduce una distorsione non lineare di secondo ordine e termini di distorsione di intermodulazione di terzo ordine, che, combinati con l'effetto di assorbimento dei portatori di carica sulla luce, portano a una riduzione dell'ampiezza di modulazione ottica e a una 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 prominente l'effetto del secondo ordine. Pertanto, i modulatori elettro-ottici in silicio e InP devono applicare una polarizzazione per formare una giunzione pn quando funzionano e la giunzione pn porterà a perdite di assorbimento della luce. Tuttavia, le dimensioni del modulatore di questi due sono piccole, le dimensioni del modulatore InP commerciale sono 1/4 del modulatore LN. Elevata efficienza di modulazione, adatta per reti di trasmissione ottica digitale ad alta densità e a breve distanza come i data center. L'effetto elettro-ottico del niobato di litio non ha meccanismo di assorbimento della luce e bassa perdita, il che è adatto per la coerenza a lunga distanzacomunicazione otticacon elevata capacità e alta velocità. Nell'applicazione dei fotoni a microonde, i coefficienti elettro-ottici di Si e InP non sono lineari, il che non è adatto al sistema di fotoni a microonde che ricerca un'elevata linearità e un'ampia dinamica. Il niobato di litio è invece molto adatto all'applicazione dei fotoni a microonde grazie al suo coefficiente di modulazione elettro-ottica completamente lineare.
Data di pubblicazione: 22 aprile 2024