Avantages et importance des couches minces de niobate de lithium dans la technologie intégrée des photons micro-ondes
technologie des photons micro-ondesL'intégration de la technologie micro-ondes photonique présente l'avantage d'une large bande passante, d'une forte capacité de traitement parallèle et de faibles pertes de transmission, ce qui lui permet de surmonter les limitations 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, ainsi que les systèmes de mesure et de contrôle. Cependant, les systèmes micro-ondes photoniques basés sur des composants discrets souffrent de problèmes tels qu'un volume important, un poids élevé et une faible stabilité, ce qui limite considérablement leur application aux plateformes spatiales et aéroportées. Par conséquent, l'intégration de la technologie micro-ondes photonique devient un atout majeur pour étendre son application aux systèmes d'information électronique militaires et exploiter pleinement ses avantages.
Actuellement, les technologies d'intégration photonique à base de silicium (SI) et d'InP ont atteint une maturité croissante après des années de développement dans le domaine des communications optiques, et de nombreux produits sont disponibles sur le marché. Cependant, pour les applications de photons micro-ondes, ces deux technologies présentent certaines limitations : par exemple, le coefficient électro-optique non linéaire des modulateurs Si et InP est incompatible avec la linéarité élevée et la grande dynamique recherchées par la technologie des photons micro-ondes ; par exemple, les commutateurs optiques en silicium assurant la commutation des trajets optiques, qu'ils soient basés sur l'effet thermo-optique, l'effet piézoélectrique ou la dispersion par injection de porteurs, souffrent d'une faible vitesse de commutation, d'une consommation d'énergie et d'un dégagement de chaleur importants, ce qui les rend inadaptés aux applications de photons micro-ondes nécessitant un balayage rapide du faisceau et des réseaux de grande taille.
Le niobate de lithium a toujours été le premier choix pour les applications à haute vitesse.modulation électro-optiquematériaux en raison de leur excellent effet électro-optique linéaire. Cependant, le niobate de lithium traditionnelmodulateur électro-optiqueComposé de cristaux massifs de niobate de lithium, le dispositif est de taille considérable, ce qui ne répond pas aux exigences 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 intégrée est devenue un objectif majeur pour les chercheurs. En 2018, une équipe de l'Université Harvard, aux États-Unis, a présenté dans la revue Nature la première technologie d'intégration photonique basée sur des couches minces de niobate de lithium. Grâce à ses avantages – intégration élevée, large bande passante de modulation électro-optique et linéarité élevée de l'effet électro-optique –, cette technologie a immédiatement suscité un vif intérêt tant académique qu'industriel dans le domaine de l'intégration photonique et de la photonique micro-ondes. Cet article examine, du point de vue des applications photoniques micro-ondes, l'influence et l'importance de cette technologie d'intégration photonique basée sur des couches minces de niobate de lithium pour le développement de la technologie photonique micro-ondes.
matériau en couche mince de niobate de lithium et couche mincemodulateur en niobate de lithium
Ces deux dernières années, un nouveau type de matériau à base de niobate de lithium a émergé : un film de niobate de lithium exfolié à partir d’un cristal massif par « découpe ionique » et lié à une plaquette de silicium par une couche tampon de silice pour former le matériau LNOI (LiNbO₃ sur isolant) [5], désigné ici comme matériau de niobate de lithium en couche mince. Des guides d’ondes à crête d’une hauteur supérieure à 100 nanomètres peuvent être gravés sur ces matériaux par un procédé de gravure sèche optimisé. La différence d’indice de réfraction effective des guides d’ondes ainsi formés peut atteindre plus de 0,8 (nettement supérieure à celle des guides d’ondes traditionnels en niobate de lithium, qui est de 0,02), comme illustré sur la figure 1. Ce guide d’ondes à forte contrainte facilite l’adaptation du champ lumineux au champ micro-ondes lors de la conception du modulateur. Il en résulte l’obtention d’une tension de demi-onde plus faible et d’une bande passante de modulation plus large sur une longueur réduite.
L'apparition de guides d'ondes submicroniques en niobate de lithium à faibles pertes lève 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 recouvrement entre le champ électrique et le champ du mode optique et diminue la tension vπ·L de plus de 20 V·cm à moins de 2,8 V·cm. Par conséquent, à tension de demi-onde égale, la longueur du dispositif peut être considérablement réduite par rapport aux modulateurs traditionnels. De plus, après optimisation des paramètres de largeur, d'épaisseur et d'espacement des électrodes de propagation d'ondes, comme illustré sur la figure, le modulateur peut atteindre une bande passante de modulation ultra-élevée, supérieure à 100 GHz.
Fig. 1 (a) distribution modale 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 en niobate de lithium à couche mince avec les modulateurs commerciaux traditionnels en niobate de lithium, les modulateurs à base de silicium et les modulateurs en phosphure d'indium (InP) et d'autres modulateurs électro-optiques à haute vitesse existants, les principaux paramètres de la comparaison comprennent :
(1) Produit volt-longueur d'onde demi-onde (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 à 3 dB (GHz), qui mesure la réponse du modulateur à la modulation haute fréquence ;
(3) Perte d'insertion optique (dB) dans la région de modulation. Le tableau montre que le modulateur en niobate de lithium en couche mince présente des avantages significatifs en termes de bande passante de modulation, de tension de demi-onde, de perte d'interpolation optique, etc.
Le silicium, pierre angulaire de l'optoélectronique intégrée, a atteint un niveau de développement élevé. Son procédé de fabrication est mature, sa miniaturisation favorise l'intégration à grande échelle de dispositifs actifs et passifs, et ses modulateurs ont fait l'objet d'études approfondies dans le domaine des communications optiques. Le mécanisme de modulation électro-optique du silicium repose principalement sur la déplétion, l'injection et l'accumulation de porteurs. La bande passante du modulateur est optimale avec un mécanisme de déplétion linéaire. Cependant, la distribution du champ optique se superpose à la non-uniformité de la zone de déplétion, ce qui introduit des distorsions non linéaires du second ordre et des distorsions d'intermodulation du troisième ordre. Ces distorsions, combinées à l'absorption de la lumière par les porteurs, entraînent une réduction de l'amplitude de la modulation optique et une 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 (Vπ·L 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 en silicium et en InP nécessitent une polarisation pour former une jonction pn lors de leur fonctionnement, ce qui entraîne des pertes par absorption de la lumière. Néanmoins, la taille de ces deux modulateurs reste réduite (un modulateur InP commercial est quatre fois plus petit qu'un modulateur LN). Leur rendement de modulation élevé les rend adaptés aux réseaux de transmission optique numérique haute densité et courte portée, tels que les centres de données. L'effet électro-optique du niobate de lithium, sans absorption de lumière et avec de faibles pertes, est quant à lui adapté aux applications de transmission cohérente longue distance.communication optiqueAvec une capacité et un débit élevés, le niobate de lithium présente des coefficients électro-optiques non linéaires, incompatibles avec les systèmes de transmission de photons micro-ondes qui exigent une linéarité et une dynamique élevées. En revanche, son coefficient de modulation électro-optique parfaitement linéaire en fait un matériau idéal pour ces applications.
Date de publication : 22 avril 2024