Vysoká linearitaelektrooptický modulátora aplikácia mikrovlnných fotónov
S rastúcimi požiadavkami na komunikačné systémy, aby sa ďalej zlepšila účinnosť prenosu signálov, ľudia budú spájať fotóny a elektróny, aby dosiahli doplnkové výhody, a zrodí sa mikrovlnná fotonika. Elektrooptický modulátor je potrebný na premenu elektriny na svetlo v...mikrovlnné fotonické systémy, a tento kľúčový krok zvyčajne určuje výkon celého systému. Keďže konverzia rádiofrekvenčného signálu do optickej domény je proces analógového signálu a bežnéelektrooptické modulátorymajú inherentnú nelinearitu, v procese konverzie dochádza k vážnemu skresleniu signálu. Na dosiahnutie približnej lineárnej modulácie je prevádzkový bod modulátora zvyčajne fixovaný v bode ortogonálneho predpätia, ale stále nemôže splniť požiadavky mikrovlnného fotónového spoja na linearitu modulátora. Sú naliehavo potrebné elektrooptické modulátory s vysokou linearitou.
Vysokorýchlostná modulácia indexu lomu kremíkových materiálov sa zvyčajne dosahuje efektom disperzie plazmy voľných nosičov náboja (FCD). Efekt FCD aj modulácia PN prechodu sú nelineárne, čo robí kremíkový modulátor menej lineárnym ako modulátor niobátu lítia. Materiály niobátu lítia vykazujú vynikajúceelektrooptická moduláciavlastnosti vďaka ich Puckerovmu efektu. Zároveň má materiál niobát lítia výhody veľkej šírky pásma, dobrých modulačných charakteristík, nízkych strát, jednoduchej integrácie a kompatibility s polovodičovými procesmi. Použitie tenkovrstvového niobátu lítia na výrobu vysokovýkonného elektrooptického modulátora v porovnaní s kremíkom takmer nemá „krátku dosku“, ale zároveň dosahuje vysokú linearitu. Tenkovrstvový elektrooptický modulátor niobátu lítia (LNOI) na izolátore sa stal sľubným smerom vývoja. S vývojom technológie prípravy materiálu z tenkovrstvového niobátu lítia a technológie leptania vlnovodov sa vysoká účinnosť konverzie a vyššia integrácia elektrooptického modulátora z tenkovrstvového niobátu lítia stala oblasťou záujmu medzinárodnej akademickej obce a priemyslu.
Charakteristiky tenkovrstvového niobátu lítia
V Spojených štátoch amerických plánovanie DAP AR vykonalo nasledujúce hodnotenie materiálov z niobátu lítneho: ak je centrum elektronickej revolúcie pomenované po kremíkovom materiáli, ktorý ju umožňuje, potom je pravdepodobné, že rodisko fotonickej revolúcie bude pomenované po niobáte lítnom. Je to preto, že niobát lítny v sebe spája elektrooptický efekt, akusticko-optický efekt, piezoelektrický efekt, termoelektrický efekt a fotorefraktívny efekt, rovnako ako kremíkové materiály v oblasti optiky.
Pokiaľ ide o charakteristiky optického prenosu, materiál InP má najväčšie straty prenosu na čipe v dôsledku absorpcie svetla v bežne používanom pásme 1550 nm. SiO2 a nitrid kremíka majú najlepšie charakteristiky prenosu a straty môžu dosiahnuť úroveň ~ 0,01 dB/cm. V súčasnosti môžu straty vlnovodu tenkovrstvového vlnovodu z niobátu lítia dosiahnuť úroveň 0,03 dB/cm a straty tenkovrstvového vlnovodu z niobátu lítia sa môžu v budúcnosti s neustálym zlepšovaním technologickej úrovne ďalej znižovať. Preto bude tenkovrstvový materiál z niobátu lítia vykazovať dobrý výkon pre pasívne svetelné štruktúry, ako sú fotosyntetické dráhy, bočníky a mikrokruhy.
Pokiaľ ide o generovanie svetla, iba InP má schopnosť priamo vyžarovať svetlo; preto je pre aplikáciu mikrovlnných fotónov potrebné zaviesť svetelný zdroj na báze InP na fotonickom integrovanom čipe na báze LNOI pomocou spätného zvárania alebo epitaxného rastu. Pokiaľ ide o moduláciu svetla, bolo vyššie zdôraznené, že tenkovrstvový materiál niobátu lítia sa ľahšie dosahuje s väčšou modulačnou šírkou pásma, nižším polvlnovým napätím a nižšími prenosovými stratami ako InP a Si. Okrem toho je vysoká linearita elektrooptickej modulácie tenkovrstvových materiálov niobátu lítia nevyhnutná pre všetky aplikácie mikrovlnných fotónov.
Pokiaľ ide o optické smerovanie, vysokorýchlostná elektrooptická odozva tenkovrstvového materiálu lítium-niobátu umožňuje optickému prepínaču na báze LNOI vysokorýchlostné optické smerovanie a spotreba energie takéhoto vysokorýchlostného prepínania je tiež veľmi nízka. Pre typickú aplikáciu integrovanej mikrovlnnej fotónovej technológie má opticky riadený čip na tvarovanie lúča schopnosť vysokorýchlostného prepínania, aby splnil potreby rýchleho skenovania lúča, a charakteristiky ultranízkej spotreby energie sú dobre prispôsobené prísnym požiadavkám rozsiahlych fázovaných sústav. Hoci optický prepínač na báze InP dokáže realizovať aj vysokorýchlostné optické prepínanie dráhy, bude spôsobovať veľký šum, najmä keď je viacúrovňový optický prepínač kaskádovaný, koeficient šumu sa výrazne zhorší. Kremíkové, SiO2 a nitrido-kremíkové materiály dokážu prepínať optické dráhy iba prostredníctvom termooptického efektu alebo efektu disperzie nosičov, čo má nevýhodu v podobe vysokej spotreby energie a pomalej rýchlosti prepínania. Keď je veľkosť fázovanej sústavy veľká, nemôže splniť požiadavky na spotrebu energie.
Pokiaľ ide o optické zosilnenie,polovodičový optický zosilňovač (SOA) na báze InP je zrelá na komerčné použitie, ale má nevýhody vysokého koeficientu šumu a nízkeho výstupného výkonu saturácie, čo nie je priaznivé pre aplikáciu mikrovlnných fotónov. Parametrický zosilňovací proces tenkovrstvového vlnovodu z niobátu lítia založený na periodickej aktivácii a inverzii môže dosiahnuť nízky šum a vysoký výkon optického zosilnenia na čipe, čo môže dobre spĺňať požiadavky integrovanej technológie mikrovlnných fotónov na optické zosilnenie na čipe.
Pokiaľ ide o detekciu svetla, tenkovrstvový niobát lítia má dobré charakteristiky prenosu svetla v pásme 1550 nm. Funkciu fotoelektrickej konverzie nie je možné realizovať, preto pri mikrovlnných fotónových aplikáciách, aby sa splnili potreby fotoelektrickej konverzie na čipe, je potrebné zaviesť detekčné jednotky InGaAs alebo Ge-Si na integrovaných fotonických čipoch založených na LNOI pomocou spätného zvárania alebo epitaxného rastu. Pokiaľ ide o väzbu s optickým vláknom, pretože samotné optické vlákno je materiál SiO2, má módové pole vlnovodu SiO2 najvyšší stupeň zhody s módovým poľom optického vlákna a väzba je najpohodlnejšia. Priemer módového poľa silne obmedzeného vlnovodu tenkovrstvového niobátu lítia je približne 1 μm, čo sa značne líši od módového poľa optického vlákna, takže je potrebné vykonať správnu transformáciu módového bodu, aby sa zhodovalo s módovým poľom optického vlákna.
Z hľadiska integrácie, to, či rôzne materiály majú vysoký integračný potenciál, závisí hlavne od polomeru ohybu vlnovodu (ovplyvneného obmedzením poľa vlnovodového módu). Silne obmedzený vlnovod umožňuje menší polomer ohybu, čo je priaznivejšie pre dosiahnutie vysokej integrácie. Preto majú tenkovrstvové vlnovody z niobátu lítia potenciál dosiahnuť vysokú integráciu. Vzhľad tenkovrstvového niobátu lítia teda umožňuje materiálu niobátu lítia skutočne hrať úlohu optického „kremíka“. Pri aplikácii mikrovlnných fotónov sú výhody tenkovrstvového niobátu lítia zrejmejšie.
Čas uverejnenia: 23. apríla 2024