Nagyobb integráltságú vékonyrétegű lítium-niobát elektrooptikai modulátor

Magas linearitáselektrooptikai modulátorés mikrohullámú fotonalkalmazás
A kommunikációs rendszerek iránti növekvő igényekkel, a jelek átviteli hatékonyságának további javítása érdekében az emberek fotonokat és elektronokat fognak egyesíteni, hogy kiegészítő előnyöket érjenek el, és megszületik a mikrohullámú fotonika. Az elektrooptikai modulátorra szükség van az elektromosság fénnyé alakításáhozmikrohullámú fotonikus rendszerek, és ez a kulcsfontosságú lépés általában meghatározza a teljes rendszer teljesítményét. Mivel a rádiófrekvenciás jel optikai tartományba konvertálása egy analóg jelfolyamat, és a szokásoselektrooptikai modulátorokMivel a modulátorok inherens nemlinearitással rendelkeznek, komoly jeltorzulás lép fel az átalakítási folyamat során. A közelítő lineáris moduláció eléréséhez a modulátor munkapontját általában az ortogonális előfeszítési ponton rögzítik, de ez még mindig nem tudja teljesíteni a mikrohullámú fotonkapcsolat követelményeit a modulátor linearitására vonatkozóan. Sürgősen szükség van nagy linearitású elektrooptikai modulátorokra.

A szilícium anyagok nagysebességű törésmutató-modulációját általában a szabad töltéshordozó plazmadiszperziós (FCD) effektusával érik el. Mind az FCD-effektus, mind a PN-átmenet modulációja nemlineáris, ami miatt a szilícium modulátor kevésbé lineáris, mint a lítium-niobát modulátor. A lítium-niobát anyagok kiváló tulajdonságokkal rendelkeznek.elektrooptikai modulációtulajdonságok a Pucker-effektusuknak köszönhetően. Ugyanakkor a lítium-niobát anyag előnyei közé tartozik a nagy sávszélesség, a jó modulációs jellemzők, az alacsony veszteség, a könnyű integráció és a félvezető eljárásokkal való kompatibilitás, a vékonyrétegű lítium-niobát használata nagy teljesítményű elektrooptikai modulátorok előállítására, a szilíciumhoz képest szinte nincs „rövid lemez”, és nagy linearitást is elér. A vékonyrétegű lítium-niobát (LNOI) elektrooptikai modulátor szigetelőn ígéretes fejlesztési irány lett. A vékonyrétegű lítium-niobát anyagelőállítási technológia és a hullámvezető maratási technológia fejlődésével a vékonyrétegű lítium-niobát elektrooptikai modulátor magas konverziós hatékonysága és nagyobb integrációja a nemzetközi tudományos és ipari szféra területévé vált.

A vékonyrétegű lítium-niobát jellemzői
Az Egyesült Államokban a DAP AR tervezési részlege a lítium-niobát anyagok következő értékelését végezte el: ha az elektronikai forradalom központját a lehetővé tevő szilícium anyagról nevezték el, akkor a fotonikai forradalom bölcsőjét valószínűleg a lítium-niobátról fogják elnevezni. Ez azért van, mert a lítium-niobát az elektrooptikai hatást, az akusztooptikai hatást, a piezoelektromos hatást, a termoelektromos hatást és a fotorefraktív hatást egyben egyesíti, akárcsak az optika területén található szilícium anyagok.

Az optikai átviteli jellemzőket tekintve az InP anyag rendelkezik a legnagyobb chipen belüli átviteli veszteséggel a fény elnyelése miatt az általánosan használt 1550 nm-es sávban. Az SiO2 és a szilícium-nitrid rendelkezik a legjobb átviteli jellemzőkkel, és a veszteség elérheti a ~ 0,01 dB/cm szintet; Jelenleg a vékonyrétegű lítium-niobát hullámvezető hullámvezetői vesztesége elérheti a 0,03 dB/cm szintet, és a vékonyrétegű lítium-niobát hullámvezető vesztesége a jövőben a technológiai szint folyamatos fejlesztésével tovább csökkenthető. Ezért a vékonyrétegű lítium-niobát anyag jó teljesítményt fog mutatni passzív fénystruktúrákban, mint például a fotoszintetikus útvonal, a sönt és a mikrogyűrű.

A fénytermelés szempontjából csak az InP képes közvetlenül fényt kibocsátani; ezért a mikrohullámú fotonok alkalmazásához az InP alapú fényforrást az LNOI alapú fotonikus integrált chipre kell bevezetni visszaterheléses hegesztéssel vagy epitaxiális növesztéssel. A fénymoduláció tekintetében a fentiekben hangsúlyoztuk, hogy a vékonyrétegű lítium-niobát anyaggal könnyebb nagyobb modulációs sávszélességet, alacsonyabb félhullámú feszültséget és alacsonyabb átviteli veszteséget elérni, mint az InP-vel és a Si-vel. Ezenkívül a vékonyrétegű lítium-niobát anyagok elektrooptikai modulációjának magas linearitása elengedhetetlen minden mikrohullámú fotonalkalmazáshoz.

Az optikai útválasztás tekintetében a vékonyrétegű lítium-niobát anyag nagysebességű elektrooptikai válasza lehetővé teszi az LNOI alapú optikai kapcsoló számára a nagysebességű optikai útválasztási kapcsolást, és az ilyen nagysebességű kapcsolás energiafogyasztása is nagyon alacsony. Az integrált mikrohullámú fotontechnológia tipikus alkalmazása esetén az optikailag vezérelt nyalábformáló chip nagysebességű kapcsolási képességgel rendelkezik, hogy megfeleljen a gyors nyalábszkennelés igényeinek, és az ultra-alacsony energiafogyasztás jellemzői jól alkalmazkodnak a nagyméretű fázisvezérelt rendszerek szigorú követelményeihez. Bár az InP alapú optikai kapcsoló nagysebességű optikai útvonalkapcsolást is képes megvalósítani, nagy zajt okoz, különösen akkor, ha a többszintű optikai kapcsoló kaszkádba van kapcsolva, a zajtényező jelentősen romlik. A szilícium, SiO2 és szilícium-nitrid anyagok csak termooptikai hatás vagy vivődiszperziós hatás révén tudják az optikai útvonalakat váltani, aminek a nagy energiafogyasztás és a lassú kapcsolási sebesség a hátránya. Ha a fázisvezérelt tömb mérete nagy, akkor nem tudja kielégíteni az energiafogyasztási követelményeket.

Az optikai erősítés szempontjából afélvezető optikai erősítő (SOAAz InP-n alapuló technológia már érett a kereskedelmi felhasználásra, de hátrányai a magas zajtényező és az alacsony telítési kimeneti teljesítmény, ami nem kedvez a mikrohullámú fotonok alkalmazásának. A vékonyrétegű lítium-niobát hullámvezető periodikus aktiváláson és inverzión alapuló parametrikus erősítési folyamata alacsony zajszintű és nagy teljesítményű chipre integrált optikai erősítést érhet el, ami jól megfelel az integrált mikrohullámú fotontechnológia chipre integrált optikai erősítésre vonatkozó követelményeinek.

Fényérzékelés szempontjából a vékonyrétegű lítium-niobát jó fényáteresztő képességgel rendelkezik az 1550 nm-es sávban. A fotoelektromos konverzió funkciója nem valósítható meg, ezért mikrohullámú fotonalkalmazásoknál a chipen a fotoelektromos konverzió igényeinek kielégítése érdekében InGaAs vagy Ge-Si detektáló egységeket kell bevezetni az LNOI alapú fotonikus integrált chipekre visszaterheléses hegesztéssel vagy epitaxiális növesztéssel. Az optikai szállal való csatolás szempontjából, mivel maga az optikai szál SiO2 anyagból készült, a SiO2 hullámvezető módustere a legnagyobb mértékben illeszkedik az optikai szál módusterehez, és a csatolás a legkényelmesebb. A vékonyrétegű lítium-niobát erősen korlátozott hullámvezetőjének módustere átmérője körülbelül 1 μm, ami jelentősen eltér az optikai szál módusteretől, ezért megfelelő módusfolt-transzformációt kell végrehajtani az optikai szál módustere illeszkedésének érdekében.

Az integráció szempontjából a különböző anyagok nagy integrációs potenciálja főként a hullámvezető hajlítási sugarától függ (amelyet a hullámvezető módus mezőjének korlátozása befolyásol). Az erősen korlátozott hullámvezető kisebb hajlítási sugarat tesz lehetővé, ami jobban elősegíti a magas integráció elérését. Ezért a vékonyrétegű lítium-niobát hullámvezetők képesek magas integrációt elérni. A vékonyrétegű lítium-niobát megjelenése lehetővé teszi, hogy a lítium-niobát anyag valóban optikai „szilícium” szerepét töltse be. A mikrohullámú fotonok alkalmazása szempontjából a vékonyrétegű lítium-niobát előnyei nyilvánvalóbbak.