Magasabb integrált vékonyrétegű lítium-niobát elektrooptikai modulátor

Magas linearitáselektrooptikai modulátorés mikrohullámú foton alkalmazás
A kommunikációs rendszerekkel szemben támasztott igények növekedésével a jelek átviteli hatékonyságának további javítása érdekében az emberek fotonokat és elektronokat olvasztnak össze, hogy egymást kiegészítő előnyöket érjenek el, és megszületik a mikrohullámú fotonika. Az elektro-optikai modulátor az elektromosság fénnyé való átalakításához szükségesmikrohullámú fotonikus rendszerek, és ez a kulcslépés általában meghatározza az egész rendszer teljesítményét. Mivel a rádiófrekvenciás jel átalakítása optikai tartományba analóg jelfolyamat, és szokásoselektro-optikai modulátorokeredendő nemlinearitásuk van, komoly jeltorzulás lép fel az átalakítási folyamatban. A hozzávetőleges lineáris moduláció elérése érdekében a modulátor működési pontja általában az ortogonális előfeszítési ponton van rögzítve, de ez mégsem tudja teljesíteni a mikrohullámú foton kapcsolat követelményeit a modulátor linearitásával szemben. Sürgősen szükség van nagy linearitású elektro-optikai modulátorokra.

A szilícium anyagok nagy sebességű törésmutató-modulációját általában a szabad hordozó plazma diszperzió (FCD) effektussal érik el. Mind az FCD-effektus, mind a PN átmenet moduláció nemlineáris, ami miatt a szilícium modulátor kevésbé lineáris, mint a lítium-niobát modulátor. A lítium-niobát anyagok kiválóakelektro-optikai modulációtulajdonságai Pucker hatásuk miatt. Ugyanakkor a lítium-niobát anyag előnye a nagy sávszélesség, a jó modulációs jellemzők, az alacsony veszteség, a könnyű integráció és a félvezető eljárással való kompatibilitás, a vékony film lítium-niobát használata a nagy teljesítményű elektro-optikai modulátor előállításához a szilíciummal összehasonlítva. szinte nincs „rövid lemez”, hanem a magas linearitás elérése érdekében. A vékonyrétegű lítium-niobát (LNOI) elektrooptikai modulátor a szigetelőn ígéretes fejlesztési irány lett. A vékonyréteg-lítium-niobát anyag-előkészítési technológia és a hullámvezető maratási technológia kifejlesztésével a vékonyfilm-lítium-niobát elektrooptikai modulátor magas konverziós hatékonysága és nagyobb integrációja a nemzetközi akadémia és az ipar területévé vált.

A vékonyrétegű lítium-niobát jellemzői
Az Egyesült Államokban a DAP AR tervezése a következőképpen értékelte a lítium-niobát anyagokat: ha az elektronikus forradalom központját az azt lehetővé tevő szilícium anyagról nevezték el, akkor a fotonikai forradalom szülőhelyét valószínűleg a lítium-niobátról nevezik el. . Ennek az az oka, hogy a lítium-niobát az elektro-optikai hatást, az akuszto-optikai effektust, a piezoelektromos effektust, a termoelektromos hatást és a fotorefraktív hatást egyben integrálja, akárcsak a szilícium anyagok az optika területén.

Az optikai átviteli jellemzőket tekintve az InP anyag rendelkezik a legnagyobb átviteli veszteséggel a chipen a fényelnyelés miatt az általánosan használt 1550 nm-es sávban. A SiO2 és a szilícium-nitrid a legjobb átviteli jellemzőkkel rendelkezik, és a veszteség elérheti a ~ 0,01 dB/cm szintet; Jelenleg a vékonyrétegű lítium-niobát hullámvezető hullámvezető vesztesége elérheti a 0,03 dB/cm szintet, és a vékonyrétegű lítium-niobát hullámvezető vesztesége tovább csökkenthető a technológiai színvonal folyamatos fejlesztésével jövőbeli. Ezért a vékony film lítium-niobát anyag jó teljesítményt fog mutatni passzív fényszerkezeteknél, mint például a fotoszintetikus út, sönt és mikrogyűrű.

A fénytermelés szempontjából csak az InP képes közvetlenül fényt kibocsátani; Emiatt a mikrohullámú fotonok alkalmazásához szükséges az InP alapú fényforrás bevezetése az LNOI alapú fotonikus integrált chipen, visszaterheléses hegesztés vagy epitaxiális növekedés útján. A fénymodulációval kapcsolatban fentebb hangsúlyoztuk, hogy a vékonyrétegű lítium-niobát anyaggal könnyebben nagyobb modulációs sávszélességet, alacsonyabb félhullámfeszültséget és kisebb átviteli veszteséget lehet elérni, mint az InP és Si. Ezenkívül a vékonyréteg-lítium-niobát anyagok elektro-optikai modulációjának nagy linearitása elengedhetetlen minden mikrohullámú foton alkalmazáshoz.

Ami az optikai útválasztást illeti, a vékony film lítium-niobát anyag nagy sebességű elektro-optikai válasza az LNOI alapú optikai kapcsolót képessé teszi nagy sebességű optikai útválasztásra, és az ilyen nagy sebességű kapcsolás energiafogyasztása is nagyon alacsony. Az integrált mikrohullámú foton technológia tipikus alkalmazásához az optikailag vezérelt sugárformáló chip képes nagy sebességű kapcsolási képességgel, hogy megfeleljen a gyors nyaláb-szkennelés igényeinek, és az ultra-alacsony energiafogyasztás jellemzői jól alkalmazkodnak a nagy sugárzás szigorú követelményeihez. -léptékű fázisos tömbrendszer. Bár az InP alapú optikai kapcsoló nagy sebességű optikai útváltást is képes megvalósítani, nagy zajt fog okozni, különösen, ha a többszintű optikai kapcsolót lépcsőzetesen kapcsolják, a zaj együtthatója súlyosan romlik. A szilícium, a SiO2 és a szilícium-nitrid anyagok csak a termooptikai hatáson vagy a hordozó diszperziós hatáson keresztül tudnak optikai utakat váltani, aminek hátránya a nagy energiafogyasztás és a lassú kapcsolási sebesség. Ha a fázistömb tömbmérete nagy, az nem tudja kielégíteni az energiafogyasztás követelményeit.

Az optikai erősítés szempontjából afélvezető optikai erősítő (SOA) InP alapú ) kereskedelmi használatra kiforrott, 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 eljárása alacsony zajszintet és nagy teljesítményű on-chip optikai erősítést érhet el, amely jól megfelel az integrált mikrohullámú foton technológia követelményeinek a chipen belüli optikai erősítéshez.

A fényérzékelés szempontjából a vékony film lítium-niobát jó fényáteresztési tulajdonságokkal rendelkezik az 1550 nm-es sávban. A fotoelektromos átalakítás funkciója nem valósítható meg, így mikrohullámú foton alkalmazásokhoz, a chipen történő fotoelektromos átalakítás igényeinek kielégítése érdekében. InGaAs vagy Ge-Si érzékelő egységeket kell bevezetni az LNOI alapú fotonikus integrált chipeken, hegesztéssel vagy epitaxiális növekedéssel. Az optikai szállal való csatolás szempontjából, mivel maga az optikai szál SiO2 anyag, a SiO2 hullámvezető módusmezeje a legmagasabb illeszkedési fokú az optikai szál üzemmódmezőjével, és a csatolás a legkényelmesebb. A vékonyrétegű lítium-niobát erősen korlátozott hullámvezetőjének módusmező átmérője körülbelül 1 μm, ami jelentősen eltér az optikai szál módusmezőjétől, ezért megfelelő móduspont-transzformációt kell végrehajtani, hogy illeszkedjen az optikai szál módusmezőjéhez.

Az integráció szempontjából az, hogy a különböző anyagoknak magas az integrációs potenciálja, főként a hullámvezető hajlítási sugarától függ (ezt befolyásolja a hullámvezető módusmező korláta). Az erősen korlátozott hullámvezető kisebb hajlítási sugarat tesz lehetővé, ami jobban elősegíti a magas integráció megvalósítását. Ezért a vékonyrétegű lítium-niobát hullámvezetők magas integráció elérésére képesek. Ezért a vékonyrétegű lítium-niobát megjelenése lehetővé teszi, hogy a lítium-niobát anyag valóban betöltse az optikai „szilícium” szerepét. Mikrohullámú fotonok alkalmazásánál a vékonyrétegű lítium-niobát előnyei nyilvánvalóbbak.