Modulateur électro-optique au niobate de lithium à couche mince intégré supérieur

Haute linéaritémodulateur électro-optiqueet application de photons micro-ondes
Avec les exigences croissantes des systèmes de communication, afin d'améliorer encore l'efficacité de la transmission des signaux, les gens fusionneront des photons et des électrons pour obtenir des avantages complémentaires, et la photonique micro-onde verra le jour. Le modulateur électro-optique est nécessaire à la conversion de l'électricité en lumière danssystèmes photoniques micro-ondes, et cette étape clé détermine généralement les performances de l’ensemble du système. Étant donné que la conversion du signal radiofréquence en domaine optique est un processus de signal analogique, et ordinairemodulateurs électro-optiquesont une non-linéarité inhérente, il y a une grave distorsion du signal dans le processus de conversion. Afin d'obtenir une modulation linéaire approximative, le point de fonctionnement du modulateur est généralement fixé au point de polarisation orthogonale, mais il ne peut toujours pas répondre aux exigences de la liaison photonique hyperfréquence pour la linéarité du modulateur. Des modulateurs électro-optiques à haute linéarité sont nécessaires de toute urgence.

La modulation à grande vitesse de l'indice de réfraction des matériaux à base de silicium est généralement obtenue par l'effet de dispersion de plasma de porteurs libres (FCD). L'effet FCD et la modulation de la jonction PN sont non linéaires, ce qui rend le modulateur au silicium moins linéaire que le modulateur au niobate de lithium. Les matériaux au niobate de lithium présentent d'excellentsmodulation électro-optiquepropriétés dues à leur effet Pucker. Dans le même temps, le matériau niobate de lithium présente les avantages d'une large bande passante, de bonnes caractéristiques de modulation, d'une faible perte, d'une intégration facile et d'une compatibilité avec le processus semi-conducteur, l'utilisation de niobate de lithium à couche mince pour fabriquer un modulateur électro-optique haute performance, par rapport au silicium. presque pas de « plaque courte », mais aussi pour obtenir une grande linéarité. Le modulateur électro-optique en couche mince de niobate de lithium (LNOI) sur isolant est devenu une direction de développement prometteuse. Avec le développement de la technologie de préparation des matériaux au niobate de lithium à couche mince et de la technologie de gravure de guide d'ondes, l'efficacité de conversion élevée et l'intégration plus élevée du modulateur électro-optique au niobate de lithium à couche mince sont devenues le domaine des universités et de l'industrie internationales.

Caractéristiques du niobate de lithium en couche mince
Aux États-Unis, le projet DAP AR a procédé à l'évaluation suivante des matériaux à base de niobate de lithium : si le centre de la révolution électronique porte le nom du matériau silicium qui la rend possible, alors le berceau de la révolution photonique portera probablement le nom du niobate de lithium. . En effet, le niobate de lithium intègre en un seul effet électro-optique, effet acousto-optique, effet piézoélectrique, effet thermoélectrique et effet photoréfractif, tout comme les matériaux silicium dans le domaine de l'optique.

En termes de caractéristiques de transmission optique, le matériau InP présente la plus grande perte de transmission sur puce en raison de l'absorption de la lumière dans la bande couramment utilisée de 1 550 nm. Le SiO2 et le nitrure de silicium ont les meilleures caractéristiques de transmission et la perte peut atteindre le niveau de ~ 0,01 dB/cm ; À l'heure actuelle, la perte du guide d'ondes au niobate de lithium à couche mince peut atteindre le niveau de 0,03 dB/cm, et la perte du guide d'ondes au niobate de lithium à couche mince a le potentiel d'être encore réduite grâce à l'amélioration continue du niveau technologique dans le avenir. Par conséquent, le matériau de niobate de lithium en couche mince présentera de bonnes performances pour les structures lumineuses passives telles que le chemin photosynthétique, le shunt et le microring.

En termes de génération de lumière, seul InP a la capacité d’émettre de la lumière directement ; Par conséquent, pour l’application de photons micro-ondes, il est nécessaire d’introduire la source de lumière à base d’InP sur la puce photonique intégrée à base de LNOI par le biais d’un soudage par rétrochargement ou d’une croissance épitaxiale. En termes de modulation de la lumière, il a été souligné ci-dessus que le niobate de lithium en couche mince permet d'obtenir plus facilement une bande passante de modulation plus large, une tension demi-onde inférieure et une perte de transmission inférieure à celle de l'InP et du Si. De plus, la haute linéarité de la modulation électro-optique des matériaux à base de niobate de lithium en couches minces est essentielle pour toutes les applications de photons micro-ondes.

En termes de routage optique, la réponse électro-optique à grande vitesse du matériau de niobate de lithium en couche mince rend le commutateur optique basé sur LNOI capable d'effectuer une commutation de routage optique à grande vitesse, et la consommation d'énergie d'une telle commutation à grande vitesse est également très faible. Pour l'application typique de la technologie intégrée de photons micro-ondes, la puce de formation de faisceau à commande optique a la capacité de commutation à grande vitesse pour répondre aux besoins de balayage rapide du faisceau, et les caractéristiques de consommation d'énergie ultra-faible sont bien adaptées aux exigences strictes des grands système multiéléments à grande échelle. Bien que le commutateur optique basé sur InP puisse également réaliser une commutation de chemin optique à grande vitesse, il introduira un bruit important, en particulier lorsque le commutateur optique multiniveau est mis en cascade, le coefficient de bruit sera sérieusement détérioré. Les matériaux en silicium, SiO2 et nitrure de silicium ne peuvent commuter les chemins optiques que par effet thermo-optique ou effet de dispersion des porteurs, ce qui présente les inconvénients d'une consommation d'énergie élevée et d'une vitesse de commutation lente. Lorsque la taille du réseau multiéléments est grande, il ne peut pas répondre aux exigences de consommation d'énergie.

En termes d'amplification optique, leamplificateur optique à semi-conducteur (SOA) basé sur InP est arrivé à maturité pour un usage commercial, mais il présente les inconvénients d'un coefficient de bruit élevé et d'une faible puissance de sortie à saturation, ce qui n'est pas propice à l'application de photons micro-ondes. Le processus d'amplification paramétrique du guide d'ondes en niobate de lithium à couche mince basé sur l'activation et l'inversion périodiques peut obtenir une amplification optique sur puce à faible bruit et haute puissance, qui peut bien répondre aux exigences de la technologie intégrée de photons micro-ondes pour l'amplification optique sur puce.

En termes de détection de la lumière, le niobate de lithium en couche mince présente de bonnes caractéristiques de transmission de la lumière dans la bande de 1 550 nm. La fonction de conversion photoélectrique ne peut pas être réalisée, donc pour les applications de photons micro-ondes, afin de répondre aux besoins de conversion photoélectrique sur la puce. Des unités de détection InGaAs ou Ge-Si doivent être introduites sur les puces photoniques intégrées basées sur LNOI par soudage en rétrocharge ou croissance épitaxiale. En termes de couplage avec la fibre optique, étant donné que la fibre optique elle-même est un matériau SiO2, le champ de mode du guide d'onde SiO2 a le degré de correspondance le plus élevé avec le champ de mode de la fibre optique et le couplage est le plus pratique. Le diamètre du champ de mode du guide d'ondes fortement restreint de niobate de lithium en couche mince est d'environ 1 μm, ce qui est assez différent du champ de mode de la fibre optique, une transformation de point de mode appropriée doit donc être effectuée pour correspondre au champ de mode de la fibre optique.

En termes d'intégration, le fait que divers matériaux aient un potentiel d'intégration élevé dépend principalement du rayon de courbure du guide d'ondes (affecté par la limitation du champ de mode du guide d'ondes). Le guide d'ondes fortement restreint permet un rayon de courbure plus petit, ce qui est plus propice à la réalisation d'une intégration élevée. Par conséquent, les guides d’ondes en niobate de lithium en couches minces ont le potentiel d’atteindre une intégration élevée. Par conséquent, l’apparition du niobate de lithium en couche mince permet au matériau niobate de lithium de réellement jouer le rôle de « silicium » optique. Pour l’application des photons micro-ondes, les avantages du niobate de lithium en couche mince sont plus évidents.