Matériau en niobate de lithium à couche mince et modulateur en niobate de lithium à couche mince

Avantages et importance du niobate de lithium en couche mince dans la technologie photonique micro-onde intégrée

Technologie des photons micro-ondesLes systèmes photoniques micro-ondes présentent les avantages d'une large bande passante, d'une forte capacité de traitement parallèle et de faibles pertes de transmission, ce qui permet de surmonter les obstacles techniques des systèmes micro-ondes traditionnels et d'améliorer les performances des équipements d'information électronique militaires tels que les radars, la guerre électronique, les communications, la mesure et le contrôle. Cependant, les systèmes photoniques micro-ondes basés sur des composants discrets présentent des inconvénients, tels que leur volume important, leur poids important et leur faible stabilité, qui limitent considérablement leur application aux plateformes spatiales et aéroportées. Par conséquent, la technologie photonique micro-ondes intégrée devient un atout majeur pour élargir son application aux systèmes d'information électronique militaires et exploiter pleinement ses avantages.

Actuellement, les technologies d'intégration photonique à base de silicium et d'InP ont gagné en maturité après des années de développement dans le domaine des communications optiques, et de nombreux produits ont été commercialisés. Cependant, pour l'application des photons micro-ondes, ces deux technologies d'intégration posent des problèmes : par exemple, le coefficient électro-optique non linéaire des modulateurs Si et InP est contraire à la haute linéarité et aux caractéristiques dynamiques élevées recherchées par la technologie des photons micro-ondes ; par exemple, le commutateur optique au silicium qui réalise la commutation du chemin optique, qu'il soit basé sur l'effet thermo-optique, l'effet piézoélectrique ou l'effet de dispersion par injection de porteurs, présente des problèmes de vitesse de commutation lente, de consommation d'énergie et de chaleur, ce qui ne permet pas de répondre aux besoins des applications de balayage rapide de faisceaux et de photons micro-ondes à grande échelle.

Le niobate de lithium a toujours été le premier choix pour les vitesses élevéesmodulation électro-optiquematériaux en raison de son excellent effet électro-optique linéaire. Cependant, le niobate de lithium traditionnelmodulateur électro-optiqueLe dispositif est constitué de cristaux massifs de niobate de lithium. Sa taille imposante ne permet pas de répondre aux besoins de la technologie photonique micro-ondes intégrée. L'intégration de matériaux en niobate de lithium à coefficient électro-optique linéaire dans un système de technologie photonique micro-ondes intégré est devenue l'objectif des chercheurs. En 2018, une équipe de recherche de l'Université Harvard (États-Unis) a été la première à présenter dans la revue Nature la technologie d'intégration photonique basée sur du niobate de lithium en couches minces. Grâce à ses avantages : haute intégration, large bande passante de modulation électro-optique et forte linéarité de l'effet électro-optique, cette technologie a immédiatement suscité l'intérêt des milieux universitaires et industriels dans le domaine de l'intégration photonique et de la photonique micro-ondes. Du point de vue de l'application des photons micro-ondes, cet article examine l'influence et l'importance de la technologie d'intégration photonique basée sur du niobate de lithium en couches minces sur le développement de la technologie photonique micro-ondes.

Matériau en niobate de lithium à couche mince et couche mincemodulateur de niobate de lithium
Ces deux dernières années, un nouveau type de matériau en niobate de lithium a émergé. Ce matériau est obtenu par exfoliation d'un film de niobate de lithium massif à partir d'un cristal par découpage ionique, puis lié à la plaquette de silicium par une couche tampon de silice pour former un matériau LNOI (LiNbO3 sur isolant) [5], appelé ici matériau en niobate de lithium en couche mince. Des guides d'ondes à crête d'une hauteur supérieure à 100 nanomètres peuvent être gravés sur des matériaux en niobate de lithium en couche mince par un procédé de gravure sèche optimisé. La différence d'indice de réfraction effective des guides d'ondes formés peut atteindre plus de 0,8 (bien supérieure à la différence d'indice de réfraction des guides d'ondes en niobate de lithium traditionnels de 0,02), comme illustré à la figure 1. Ce guide d'ondes fortement restreint facilite l'adaptation du champ lumineux au champ micro-ondes lors de la conception du modulateur. Il est ainsi avantageux d'obtenir une tension demi-onde plus faible et une bande passante de modulation plus large sur une longueur plus courte.

L'apparition d'un guide d'ondes submicronique en niobate de lithium à faibles pertes élimine le problème de la tension de commande élevée des modulateurs électro-optiques traditionnels en niobate de lithium. L'espacement des électrodes peut être réduit à environ 5 μm, ce qui augmente considérablement le chevauchement entre le champ électrique et le champ optique, et la valeur vπ·L passe de plus de 20 V·cm à moins de 2,8 V·cm. Par conséquent, à tension demi-onde égale, la longueur du dispositif peut être considérablement réduite par rapport à un modulateur traditionnel. Parallèlement, après optimisation des paramètres de largeur, d'épaisseur et d'intervalle de l'électrode à onde progressive, comme illustré sur la figure, le modulateur peut atteindre une bande passante de modulation ultra-élevée, supérieure à 100 GHz.

Fig.1 （a） distribution de mode calculée et （b） image de la section transversale du guide d'ondes LN

Fig.2 （a） Structure du guide d'ondes et des électrodes et （b） plaque centrale du modulateur LN

La comparaison des modulateurs au niobate de lithium à couche mince avec les modulateurs commerciaux traditionnels au niobate de lithium, les modulateurs à base de silicium et les modulateurs au phosphure d'indium (InP) et d'autres modulateurs électro-optiques à grande vitesse existants, les principaux paramètres de la comparaison comprennent :
(1) Produit demi-onde volt-longueur (vπ ·L, V·cm), mesurant l'efficacité de modulation du modulateur, plus la valeur est petite, plus l'efficacité de modulation est élevée ;
(2) Bande passante de modulation de 3 dB (GHz), qui mesure la réponse du modulateur à la modulation haute fréquence ;
(3) Perte d'insertion optique (dB) dans la zone de modulation. Le tableau montre que le modulateur en niobate de lithium à couche mince présente des avantages évidents en termes de bande passante de modulation, de tension demi-onde, de perte d'interpolation optique, etc.

Le silicium, pierre angulaire de l'optoélectronique intégrée, a été développé à ce jour. Le procédé est mature, sa miniaturisation est propice à l'intégration à grande échelle de dispositifs actifs/passifs, et son modulateur a été largement et profondément étudié dans le domaine des communications optiques. Les mécanismes de modulation électro-optique du silicium reposent principalement sur la déplétion, l'injection et l'accumulation de porteuses. Parmi ces mécanismes, la bande passante du modulateur est optimale avec un mécanisme de déplétion linéaire des porteuses. Cependant, la distribution du champ optique chevauchant l'hétérogénéité de la zone de déplétion, cet effet introduira des distorsions non linéaires de second ordre et de troisième ordre, couplées à l'effet d'absorption de la porteuse sur la lumière, ce qui entraînera une réduction de l'amplitude de la modulation optique et de la distorsion du signal.

Le modulateur InP présente des effets électro-optiques exceptionnels, et sa structure à puits quantiques multicouches permet de réaliser des modulateurs à très haut débit et à faible tension de commande, avec une tension Vπ·L allant jusqu'à 0,156 V·mm. Cependant, la variation de l'indice de réfraction avec le champ électrique comprend des termes linéaires et non linéaires, et l'augmentation de l'intensité du champ électrique accentue l'effet du second ordre. Par conséquent, les modulateurs électro-optiques silicium et InP nécessitent une polarisation pour former une jonction pn lorsqu'ils fonctionnent, ce qui met en évidence les pertes d'absorption. Cependant, la taille de ces deux modulateurs est réduite : la taille d'un modulateur InP commercial est quatre fois plus petite que celle d'un modulateur LN. Son rendement de modulation élevé est adapté aux réseaux de transmission optique numérique haute densité et courte distance, tels que les centres de données. L'effet électro-optique du niobate de lithium ne présente aucun mécanisme d'absorption lumineuse et de faibles pertes, ce qui le rend adapté à la transmission cohérente longue distance.communication optiqueAvec une grande capacité et un débit élevé. Dans les applications photoniques micro-ondes, les coefficients électro-optiques du silicium et de l'indium sont non linéaires, ce qui les rend inadaptés aux systèmes photoniques micro-ondes qui recherchent une linéarité élevée et une dynamique importante. Le niobate de lithium est un matériau particulièrement adapté aux applications photoniques micro-ondes grâce à son coefficient de modulation électro-optique entièrement linéaire.