Введение в структуру и производительностьЭлектрооптический модулятор на основе тонкой пленки ниобата лития
An электрооптический модуляторна основе различных структур, длин волн и платформ тонкопленочного ниобата лития, а также всестороннего сравнения характеристик различных типовЭОМ-модуляторыа также анализ исследований и применениятонкопленочные модуляторы на основе ниобата литияв других областях.
1. Нерезонансный полостной тонкопленочный модулятор на основе ниобата лития
Этот тип модулятора основан на превосходном электрооптическом эффекте кристалла ниобата лития и является ключевым устройством для обеспечения высокоскоростной и дальней оптической связи. Существует три основных структуры:
1.1 Модулятор Маха-Цендера с волновым электродом: это наиболее типичная конструкция. Исследовательская группа Лончара в Гарвардском университете впервые создала высокопроизводительную версию в 2018 году, а последующие улучшения включали емкостную нагрузку на основе кварцевых подложек (высокая пропускная способность, но несовместимость с кремниевыми подложками) и совместимость с кремниевыми подложками на основе полой структуры подложки, что позволило достичь высокой пропускной способности (>67 ГГц) и высокой скорости передачи сигнала (например, 112 Гбит/с PAM4).
1.2. Складной модулятор MZI: Для уменьшения размеров устройства и адаптации к компактным модулям, таким как QSFP-DD, используются поляризационная обработка, поперечные волноводы или инвертированные микроструктурные электроды, что позволяет уменьшить длину устройства вдвое и достичь полосы пропускания 60 ГГц.
1.3 Однополяризационный/двухполяризационный когерентный ортогональный (IQ) модулятор: Использует формат модуляции высокого порядка для повышения скорости передачи. Исследовательская группа Цая в Университете Сунь Ятсена в 2020 году создала первый на кристалле однополяризационный IQ-модулятор. Разработанный в будущем двухполяризационный IQ-модулятор будет обладать лучшими характеристиками, а версия на основе кварцевой подложки установила рекорд скорости передачи на одной длине волны — 1,96 Тбит/с.
2. Резонансный полостной модулятор на основе тонкопленочного ниобата лития.
Для создания модуляторов со сверхмалой и большой полосой пропускания доступны различные резонансные полостные структуры:
2.1 Фотокристалл и микрокольцевой модулятор: Исследовательская группа Лина в Рочестерском университете разработала первый высокопроизводительный фотокристаллический модулятор. Кроме того, были предложены микрокольцевые модуляторы на основе гетерогенной и гомогенной интеграции ниобата кремния-лития, обеспечивающие полосу пропускания в несколько ГГц.
2.2 Резонаторные модуляторы на основе решетки Брэгга: включая резонатор Фабри-Перо (FP), волноводную решетку Брэгга (WBG) и модулятор замедленного света (SL). Эти структуры разработаны для обеспечения баланса между размером, допусками технологического процесса и производительностью. Например, резонансный модулятор на основе решетки Фабри-Перо размером 2 × 2 обеспечивает сверхширокую полосу пропускания, превышающую 110 ГГц. Модулятор замедленного света на основе связанной решетки Брэгга расширяет диапазон рабочей полосы пропускания.
3. Гетерогенный интегрированный тонкопленочный модулятор на основе ниобата лития
Существует три основных метода интеграции, позволяющих объединить совместимость технологии CMOS на кремниевых платформах с превосходными характеристиками модуляции ниобата лития:
3.1 Гетерогенная интеграция с использованием связей: Путем прямой связи с бензоциклобутеном (BCB) или диоксидом кремния тонкая пленка ниобата лития переносится на кремниевую или нитрид-кремниевую платформу, обеспечивая интеграцию на уровне пластины при высоких температурах и стабильном состоянии. Модулятор демонстрирует высокую полосу пропускания (>70 ГГц, даже превышающую 110 ГГц) и высокую скорость передачи сигнала.
3.2. Гетерогенная интеграция волноводного материала путем осаждения: осаждение кремния или нитрида кремния на тонкую пленку ниобата лития в качестве нагрузочного волновода также обеспечивает эффективную электрооптическую модуляцию.
3.3 Микротрансферная печать (μTP) для гетерогенной интеграции: Эта технология, как ожидается, будет использоваться в крупномасштабном производстве, позволяя переносить предварительно изготовленные функциональные устройства на целевые чипы с помощью высокоточного оборудования, избегая сложной постобработки. Она успешно применяется на платформах из нитрида кремния и на основе кремния, достигая полосы пропускания в десятки ГГц.
В заключение, данная статья систематически описывает технологическую дорожную карту электрооптических модуляторов на основе тонкопленочных платформ из ниобата лития, начиная от разработки высокопроизводительных и широкополосных нерезонансных резонаторных структур, исследования миниатюрных резонансных резонаторных структур и интеграции с зрелыми кремниевыми фотонными платформами. Она демонстрирует огромный потенциал и непрерывный прогресс тонкопленочных модуляторов из ниобата лития в преодолении узких мест производительности традиционных модуляторов и достижении высокоскоростной оптической связи.
Дата публикации: 31 марта 2026 г.