Aplicação do método de abordagem de domínio espectral para análise de guias de onda planos em moduladores eletro-ópticos integrados com substratos de LNOI (Lithium Niobate Thin Film on Insulator)

Abstract

A substituição da eletrônica convencional por componentes ópticos em aplicações de processamento óptico de sinal tem aumentado o interesse em integrar diferentes dispositivos fotônicos em um único chip. Por conseguinte, as pesquisas em circuitos fotônicos integrados têm se intensificado ao longo das últimas décadas. Desta forma, aumentou-se a necessidade de moduladores de fase óptica integrados que sejam escaláveis e de alta performance, com ampla largura de banda, compatibilidade com a fotônica baseada em silício e integração com a eletrônica CMOS. Neste contexto, o filme de Niobato de Lítio Sobre o Isolador (LNOI - Lithium Niobate Thin Film On Insulator) é uma plataforma promissora que surgiu e tem permitido a confecção de moduladores eletro-ópticos de maior eficiência. Sendo assim, neste trabalho aplica-se a consagrada técnica de Abordagem de Domínio Espectral (ADE) para a análise dos guias de onda planos em moduladores eletro-ópticos integrados com substratos de LNOI. As expressões de campo eletromagnético destes guias são obtidas e a formulação desenvolvida é submetida a testes, obtendo-se resultados em concordância com a literatura publicada. Os resultados numéricos indicam que o substrato de LNOI pode permitir a confecção de guias de onda CPW e CPS pouco dispersivos para uma faixa ampla de frequências e com impedâncias próximas de 50 Ω. Além disso, observou-se que a miniaturização do invólucro metálico pode estender a banda monomodo de operação quando comparada a dispositivos do tipo bulk. Mostrou-se que se pode obter moduladores eletro-ópticos com tensões de meia-onda de no máximo 5 V e com guias de onda de comprimentos inferiores ao da maioria dos dispositivos bulk comercialmente disponíveis. Verificou-se que a adição de uma camada de buffer-layer, além de evitar o contato da luz com os eletrodos, permite que se obtenham moduladores com bom casamento de velocidades entre o modo óptico e elétrico, o que resulta em modos fundamentais com respostas em frequência de modulação superiores a região monomodo. Por fim, os resultados sugerem que o modo-π fundamental do guia CPS possui curvas de dispersão pouco dispersivas até 1 THz, sendo que nos testes realizados não foram encontrados os gráficos típicos de transição modal que comumente estão associados às estruturas de óptica integrada. Desta forma, caso pesquisas futuras comprovem que não há acoplamento entre os modos fundamental e superiores, e garanta-se o estabelecimento de somente o modo fundamental no guia, poderia-se obter moduladores eletro-ópticos com respostas em frequência próximos a 900 GHz. Esta frequência está dentro da banda de terahertz, que é considerada a próxima fronteira para aplicações em sistemas de comunicação com banda extremamente larga.

The replacement of conventional electronics by optical components in optical signal processing applications has increased the interest in integrating different photonic devices on a single chip. Therefore, researches in integrated photonic circuits have been intensified over the past few decades. In this way, the need for scalable and high performance integrated optical phase modulators, with wide bandwidth, compatibility with silicon-based photonics and integration with CMOS electronics has increased. In this context, Lithium Niobate Thin Film On Insulator (LNOI) is a promising platform that has emerged and enabled the production of more efficient electro-optic modulators. Thus, in this work the well-established technique of Spectral Domain Approach (SDA) is applied to planar waveguides analysis in integrated electro-optic modulators with LNOI substrates. Electromagnetic field expressions in these guides are obtained and the developed analysis is thoroughly tested, obtaining results in accordance to the literature, determined by other techniques. Numerical results indicate that LNOI substrate shows the possibility of manufacturing CPW and CPS presenting low dispersion for a wide range of frequencies and impedances close to 50 W. Besides, it was observed that the metallic box miniaturization can extend the single-mode band of operation when compared to bulk type devices. It has been shown that electro-optic modulators can be obtained with a maximum of 5 V half-wave voltages and waveguide length shorter than most of commercially bulk devices available. It was found that the addition of a buffer-layer, besides avoiding the contact of the light with the electrodes, it allows to obtain modulators with good velocity matching between optical and electrical modes, which results in fundamental modes with higher modulation frequency responses than the single-mode region. Finally, the results indicate that the CPS fundamental p-mode has low dispersion curves up to 1 THz and, in the performed tests, the typical modal transition curves, commonly associated to integrated optics structures, were not found. Thus, if future researches prove that there is no coupling between fundamental and superior modes, and if it can be guaranteed the establishment of only the fundamental mode in the guide, electro-optic modulators with frequency responses close to 900 GHz could be obtained. This frequency is within the terahertz band, which is considered the next frontier to be applied to communication systems applications with extremely broadband demand.