Introdución á estrutura e ao rendemento do modulador electroóptico de película fina de niobato de litio

Introdución á estrutura e ao rendemento deModulador electroóptico de película fina de niobato de litio
An modulador electroópticobaseado en diferentes estruturas, lonxitudes de onda e plataformas de niobato de litio de película fina e unha comparación exhaustiva do rendemento de varios tipos deModuladores EOMasí como unha análise da investigación e aplicación demoduladores de niobato de litio de película finanoutros campos.

1. Modulador de niobato de litio de película fina con cavidade non resonante
Este tipo de modulador baséase no excelente efecto electroóptico do cristal de niobato de litio e é un dispositivo clave para lograr comunicacións ópticas de alta velocidade e longa distancia. Hai tres estruturas principais:
1.1 Modulador MZI de eléctrodo de onda viaxante: este é o deseño máis típico. O grupo de investigación Lončar da Universidade de Harvard conseguiu por primeira vez unha versión de alto rendemento en 2018, con melloras posteriores que inclúen a carga capacitiva baseada en substratos de cuarzo (alto ancho de banda pero incompatible cos baseados en silicio) e compatible con silicio baseado no baleirado do substrato, conseguindo un alto ancho de banda (>67 GHz) e unha transmisión de sinal de alta velocidade (como PAM4 de 112 Gbit/s).
1.2 Modulador MZI pregable: Para acurtar o tamaño do dispositivo e adaptarse a módulos compactos como QSFP-DD, utilízanse tratamentos de polarización, guías de onda cruzadas ou eléctrodos de microestrutura invertida para reducir a lonxitude do dispositivo á metade e conseguir un ancho de banda de 60 GHz.
1.3 Modulador ortogonal coherente (IQ) de polarización simple/dobre: ​​usa un formato de modulación de alta orde para mellorar a velocidade de transmisión. O grupo de investigación Cai da Universidade Sun Yat-sen conseguiu o primeiro modulador IQ de polarización simple nun chip en 2020. O modulador IQ de polarización dual desenvolvido no futuro ten un mellor rendemento e a versión baseada en substrato de cuarzo estableceu un récord de velocidade de transmisión de lonxitude de onda única de 1,96 Tbit/s.

2. Modulador de niobato de litio de película fina de tipo cavidade resonante
Para conseguir moduladores de ancho de banda ultrapequenos e grandes, existen varias estruturas de cavidade resonante dispoñibles:
2.1 Cristal fotónico (PC) e modulador de microanel: o grupo de investigación de Lin na Universidade de Rochester desenvolveu o primeiro modulador de cristal fotónico de alto rendemento. Ademais, tamén se propuxeron moduladores de microanel baseados na integración heteroxénea e homoxénea de niobato de silicio e litio, que acadaron anchos de banda de varios GHz.
2.2 Modulador de cavidade resonante con rede de Bragg: inclúe a cavidade de Fabry Perot (FP), a rede de Bragg con guía de ondas (WBG) e o modulador de luz lenta (SL). Estas estruturas están deseñadas para equilibrar o tamaño, as tolerancias do proceso e o rendemento; por exemplo, un modulador de cavidade resonante FP 2 × 2 consegue un ancho de banda ultragrande superior a 110 GHz. O modulador de luz lenta baseado na rede de Bragg acoplada amplía o rango de ancho de banda de traballo.

3. Modulador de niobato de litio de película fina integrado heteroxéneo
Existen tres métodos principais de integración para combinar a compatibilidade da tecnoloxía CMOS en plataformas baseadas en silicio co excelente rendemento de modulación do niobato de litio:
3.1 Integración heteroxénea de tipo enlace: mediante a unión directa con benzociclobuteno (BCB) ou dióxido de silicio, o niobato de litio de película fina transfírese a unha plataforma de silicio ou nitruro de silicio, conseguindo unha integración estable a alta temperatura e a nivel de oblea. O modulador presenta unha gran ancho de banda (>70 GHz, incluso superior a 110 GHz) e unha capacidade de transmisión de sinal de alta velocidade.
3.2 Integración heteroxénea de materiais de guía de ondas por deposición: a deposición de silicio ou nitruro de silicio sobre unha película fina de niobato de litio como guía de ondas de carga tamén consegue unha modulación electroóptica eficiente.
3.3 Integración heteroxénea da impresión por microtransferencia (μ TP): trátase dunha tecnoloxía que se espera que se utilice para a produción a grande escala, que transfire dispositivos funcionais prefabricados a chips obxectivo mediante equipos de alta precisión, evitando o posprocesamento complexo. Aplicouse con éxito a plataformas de nitruro de silicio e baseadas en silicio, alcanzando anchos de banda de decenas de GHz.

En resumo, este artigo describe sistematicamente a folla de ruta tecnolóxica dos moduladores electroópticos baseados en plataformas de niobato de litio de película fina, dende a procura de estruturas de cavidade non resonante de alto rendemento e gran ancho de banda, a exploración de estruturas de cavidade resonante miniaturizadas e a integración con plataformas fotónicas baseadas en silicio maduras. Demostra o enorme potencial e o progreso continuo dos moduladores de niobato de litio de película fina para superar o pescozo de botella de rendemento dos moduladores tradicionais e lograr unha comunicación óptica de alta velocidade.