Avantages et importance du niobate de lithium en couche mince dans la technologie photonique intégrée aux micro-ondes
Technologie photonique micro-ondesprésente les avantages d'une large bande passante de travail, d'une forte capacité de traitement parallèle et d'une faible perte de transmission, ce qui a le potentiel de briser le goulot d'étranglement technique du système micro-ondes traditionnel et d'améliorer les performances des équipements d'information électroniques militaires tels que le radar, la guerre électronique, la communication et la mesure et contrôle. Cependant, le système de photons micro-ondes basé sur des dispositifs discrets présente certains problèmes tels qu'un grand volume, un poids élevé et une mauvaise stabilité, qui limitent sérieusement l'application de la technologie des photons micro-ondes sur les plates-formes spatiales et aéroportées. Par conséquent, la technologie intégrée des photons micro-ondes devient un support important pour interrompre l'application des photons micro-ondes dans les systèmes d'information électroniques militaires et tirer pleinement parti des avantages de la technologie des photons micro-ondes.
À l'heure actuelle, la technologie d'intégration photonique basée sur SI et la technologie d'intégration photonique basée sur INP sont devenues de plus en plus matures après des années de développement dans le domaine de la communication optique, et de nombreux produits ont été mis sur le marché. Cependant, pour l'application des photons micro-ondes, ces deux types de technologies d'intégration de photons présentent certains problèmes : par exemple, le coefficient électro-optique non linéaire du modulateur Si et du modulateur InP est contraire à la linéarité élevée et aux grandes caractéristiques dynamiques recherchées par les photons micro-ondes. technologie photonique; Par exemple, le commutateur optique en silicium qui réalise la commutation de chemin optique, qu'il soit basé sur un effet thermo-optique, un effet piézoélectrique ou un effet de dispersion par injection de porteur, présente les problèmes de vitesse de commutation lente, de consommation d'énergie et de consommation de chaleur, qui ne peuvent pas répondre aux exigences rapides. balayage de faisceaux et applications de photons micro-ondes à grande échelle.
Le niobate de lithium a toujours été le premier choix pour les applications à haute vitessemodulation électro-optiquematériaux en raison de son excellent effet électro-optique linéaire. Cependant, le niobate de lithium traditionnelmodulateur électro-optiqueest fabriqué à partir d'un matériau cristallin massif de niobate de lithium et la taille de l'appareil est très grande, ce qui ne peut pas répondre aux besoins de la technologie photonique micro-ondes intégrée. Comment intégrer des matériaux de niobate de lithium avec un coefficient électro-optique linéaire dans le système intégré de technologie photonique micro-ondes est devenu l'objectif des chercheurs concernés. En 2018, une équipe de recherche de l'Université Harvard aux États-Unis a signalé pour la première fois la technologie d'intégration photonique basée sur le niobate de lithium en couche mince dans la nature, car la technologie présente les avantages d'une intégration élevée, d'une large bande passante de modulation électro-optique et d'une linéarité élevée de l'électro. -L'effet optique, une fois lancé, a immédiatement suscité l'attention académique et industrielle dans le domaine de l'intégration photonique et de la photonique micro-onde. Du point de vue de l'application des photons micro-ondes, cet article passe en revue l'influence et l'importance de la technologie d'intégration de photons basée sur le niobate de lithium en couche mince sur le développement de la technologie des photons micro-ondes.
Matériau de niobate de lithium à couche mince et couche mincemodulateur de niobate de lithium
Au cours des deux dernières années, un nouveau type de matériau de niobate de lithium est apparu, c'est-à-dire que le film de niobate de lithium est exfolié du cristal massif de niobate de lithium par la méthode de « tranchage ionique » et lié à la tranche de Si avec une couche tampon de silice pour former un matériau LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], appelé matériau de niobate de lithium à couche mince dans cet article. Les guides d'ondes Ridge d'une hauteur de plus de 100 nanomètres peuvent être gravés sur des matériaux de niobate de lithium à couche mince par un processus de gravure sèche optimisé, et 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 traditionnels). guides d'ondes au niobate de lithium de 0,02), comme le montre la figure 1. Le guide d'ondes fortement restreint facilite l'adaptation du champ lumineux avec le champ micro-ondes lors de la conception du modulateur. Ainsi, il est avantageux d’obtenir une tension demi-onde plus faible et une bande passante de modulation plus grande sur une longueur plus courte.
L'apparition d'un guide d'ondes submicronique au niobate de lithium à faible perte brise le goulot d'étranglement de la tension de commande élevée du modulateur électro-optique traditionnel au niobate de lithium. L'espacement des électrodes peut être réduit à ~ 5 μm, et le chevauchement entre le champ électrique et le champ du mode optique est considérablement augmenté, et le vπ ·L diminue de plus de 20 V·cm à moins de 2,8 V·cm. Par conséquent, sous la même tension demi-onde, la longueur du dispositif peut être considérablement réduite par rapport au modulateur traditionnel. Dans le même temps, après avoir optimisé les paramètres de largeur, d'épaisseur et d'intervalle de l'électrode à ondes progressives, comme le montre la figure, le modulateur peut avoir la capacité d'une bande passante de modulation ultra-élevée supérieure à 100 GHz.
Fig.1 （a） distribution de modes calculée et （b） image de la section transversale du guide d'ondes LN
Fig.2 （a） Structure du guide d'ondes et de l'électrode et （b） plaque centrale du modulateur LN
La comparaison des modulateurs au niobate de lithium à couches minces 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 région de modulation. Le tableau montre que le modulateur au 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 jusqu'à présent, le processus 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 de l'optique. communication. Le mécanisme de modulation électro-optique du silicium est principalement la déplétion des porteurs, l'injection des porteurs et l'accumulation des porteurs. Parmi eux, la bande passante du modulateur est optimale avec le mécanisme d'épuisement des porteurs de degré linéaire, mais comme la distribution du champ optique chevauche la non-uniformité de la région d'appauvrissement, cet effet introduira une distorsion non linéaire du deuxième ordre et une distorsion d'intermodulation du troisième ordre. termes, couplé à l’effet d’absorption du porteur sur la lumière, ce qui conduira à la réduction de l’amplitude de la modulation optique et de la distorsion du signal.
Le modulateur InP présente des effets électro-optiques exceptionnels, et la structure de puits quantique multicouche peut réaliser des modulateurs à très haut débit et à faible tension de commande avec Vπ·L jusqu'à 0,156 V · mm. Cependant, la variation de l'indice de réfraction avec le champ électrique inclut des termes linéaires et non linéaires, et l'augmentation de l'intensité du champ électrique rendra l'effet de second ordre plus important. Par conséquent, les modulateurs électro-optiques en silicium et InP doivent appliquer une polarisation pour former une jonction pn lorsqu'ils fonctionnent, et la jonction pn mettra en lumière la perte d'absorption. Cependant, la taille du modulateur de ces deux-là est petite, la taille du modulateur InP commercial est 1/4 de celle du modulateur LN. Efficacité de modulation élevée, adaptée 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 n'a pas de mécanisme d'absorption de la lumière et une faible perte, ce qui convient à la cohérence longue distancecommunication optiqueavec une grande capacité et un tarif élevé. Dans l'application des photons micro-ondes, les coefficients électro-optiques de Si et InP sont non linéaires, ce qui ne convient pas au système de photons micro-ondes qui recherche une linéarité élevée et une grande dynamique. Le matériau niobate de lithium est très approprié pour les applications de photons micro-ondes en raison de son coefficient de modulation électro-optique complètement linéaire.
Heure de publication : 22 avril 2024