Modulateur électro-optique en niobate de lithium à couche mince hautement intégré

Haute linéaritémodulateur électro-optiqueet application des photons micro-ondes
Avec les exigences croissantes des systèmes de communication, afin d'améliorer l'efficacité de la transmission des signaux, la fusion des photons et des électrons permettra d'obtenir des avantages complémentaires, donnant ainsi naissance à la photonique micro-ondes. Le modulateur électro-optique est nécessaire à la conversion de l'électricité en lumière.systèmes photoniques micro-ondes, et cette étape clé détermine généralement les performances de l'ensemble du système. La conversion d'un signal radiofréquence en signal optique étant un processus de signal analogique,modulateurs électro-optiquesLa non-linéarité inhérente du modulateur entraîne une importante distorsion du signal lors de la conversion. Pour obtenir une modulation linéaire approximative, le point de fonctionnement du modulateur est généralement fixé au point de polarisation orthogonale, mais cela ne permet toujours pas de répondre aux exigences de linéarité de la liaison photonique micro-ondes. Il est donc urgent de développer des modulateurs électro-optiques à haute linéarité.

La modulation à grande vitesse de l'indice de réfraction des matériaux en silicium est généralement obtenue par l'effet de dispersion plasma à porteurs libres (FCD). L'effet FCD et la modulation par jonction PN sont tous deux non linéaires, ce qui rend le modulateur en silicium moins linéaire que le modulateur en niobate de lithium. Les matériaux en niobate de lithium présentent d'excellentes caractéristiques.modulation électro-optiquePropriétés dues à leur effet Pucker. Parallèlement, le niobate de lithium présente les avantages d'une large bande passante, de bonnes caractéristiques de modulation, de faibles pertes, d'une intégration aisée et d'une compatibilité avec les procédés de fabrication des semi-conducteurs. L'utilisation de niobate de lithium en couches minces pour la fabrication de modulateurs électro-optiques hautes performances, avec une quasi-absence de « plaque courte » par rapport au silicium, permet également d'obtenir une linéarité élevée. Le modulateur électro-optique en niobate de lithium en couches minces (LNOI) sur isolant est devenu une voie de développement prometteuse. Avec le développement des technologies de préparation du niobate de lithium en couches minces et de gravure des guides d'ondes, le rendement de conversion élevé et l'intégration accrue des modulateurs électro-optiques en niobate de lithium en couches minces sont devenus un sujet de recherche international dans les milieux universitaires et industriels.

Caractéristiques du niobate de lithium en couche mince
Aux États-Unis, la planification DAP AR a réalisé l'évaluation suivante des matériaux en niobate de lithium : si le centre de la révolution électronique porte le nom du 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 les effets électro-optique, acousto-optique, piézoélectrique, thermoélectrique et photoréfractif, tout comme les matériaux en silicium en 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 de 1 550 nm, couramment utilisée. Le SiO2 et le nitrure de silicium présentent les meilleures caractéristiques de transmission, avec une perte pouvant atteindre environ 0,01 dB/cm. Actuellement, la perte du guide d'onde en niobate de lithium à couche mince peut atteindre 0,03 dB/cm, et cette perte pourrait encore être réduite grâce aux progrès technologiques futurs. Par conséquent, le matériau en niobate de lithium à couche mince présentera de bonnes performances pour les structures lumineuses passives telles que les voies photosynthétiques, les shunts et les micro-anneaux.

En termes de génération de lumière, seul l'InP a la capacité d'émettre directement de la lumière ; par conséquent, pour l'application des photons micro-ondes, il est nécessaire d'introduire une source lumineuse à base d'InP sur la puce intégrée photonique basée sur LNOI par soudage par rétrochargement ou croissance épitaxiale. En termes de modulation de la lumière, il a été souligné précédemment que le matériau en niobate de lithium en couches minces permet d'obtenir plus facilement une bande passante de modulation plus large, une tension demi-onde plus faible et des pertes de transmission plus faibles que l'InP et le Si. De plus, la haute linéarité de la modulation électro-optique des matériaux en niobate de lithium en couches minces est essentielle pour toutes les applications photoniques micro-ondes.

En termes de routage optique, la réponse électro-optique à haute vitesse du matériau en niobate de lithium en couches minces permet au commutateur optique à base de LNOI d'assurer une commutation de routage optique à haute vitesse, avec une consommation énergétique très faible. Pour les applications typiques de la technologie photonique micro-ondes intégrée, la puce de formation de faisceau à commande optique offre une commutation à haute vitesse pour répondre aux besoins de balayage rapide du faisceau. Sa très faible consommation énergétique est parfaitement adaptée aux exigences strictes des systèmes multi-éléments à commande de phase à grande échelle. Bien que le commutateur optique à base d'InP puisse également réaliser une commutation de chemin optique à haute vitesse, il génère un bruit important, notamment en cascade, ce qui dégrade considérablement le coefficient de bruit. Les matériaux en silicium, SiO2 et nitrure de silicium ne peuvent commuter les chemins optiques que par effet thermo-optique ou par dispersion des porteurs, ce qui présente les inconvénients d'une consommation énergétique élevée et d'une vitesse de commutation lente. Lorsque la taille du réseau multi-éléments est importante, il ne peut pas répondre aux exigences de consommation énergétique.

En termes d'amplification optique, leamplificateur optique à semi-conducteur (SOA) à base d'InP est mature pour une utilisation commerciale, mais présente les inconvénients d'un coefficient de bruit élevé et d'une faible puissance de sortie à saturation, ce qui est peu propice à l'application des photons micro-ondes. Le procédé d'amplification paramétrique du guide d'ondes en niobate de lithium à couches minces, basé sur l'activation et l'inversion périodiques, permet d'obtenir une amplification optique sur puce à faible bruit et à haute puissance, répondant ainsi parfaitement aux exigences de la technologie intégrée des photons micro-ondes pour l'amplification optique sur puce.

En termes de détection lumineuse, le niobate de lithium en couches minces présente de bonnes caractéristiques de transmission lumineuse dans la bande des 1550 nm. La conversion photoélectrique n'étant pas réalisable, pour les applications photoniques micro-ondes, afin de répondre aux besoins de conversion photoélectrique sur puce, des unités de détection en InGaAs ou Ge-Si doivent être intégrées aux puces photoniques intégrées à base de LNOI par soudage par rétrochargement ou croissance épitaxiale. Concernant le couplage avec la fibre optique, la fibre optique étant elle-même en SiO2, le champ de mode du guide d'ondes en SiO2 présente le degré de correspondance le plus élevé avec celui de la fibre optique, et le couplage est le plus aisé. Le diamètre du champ de mode du guide d'ondes fortement restreint en niobate de lithium en couches minces est d'environ 1 μm, ce qui est très différent du champ de mode de la fibre optique. Une transformation de mode appropriée doit donc être réalisée pour correspondre au champ de mode de la fibre optique.

En termes d'intégration, le potentiel d'intégration élevé de divers matériaux dépend principalement du rayon de courbure du guide d'ondes (affecté par la limitation du champ modal du guide d'ondes). Un guide d'ondes fortement restreint permet un rayon de courbure plus faible, ce qui favorise une intégration élevée. Par conséquent, les guides d'ondes en niobate de lithium en couches minces offrent un potentiel d'intégration élevé. L'apparition de ce matériau lui permet de jouer un véritable rôle de « silicium » optique. Pour l'application aux photons micro-ondes, les avantages du niobate de lithium en couches minces sont particulièrement évidents.