Вищий вбудований тонкоплівковий електрооптичний модулятор з ніобату літію

Висока лінійністьелектрооптичний модуляторі застосування мікрохвильових фотонів
Із зростаючими вимогами до систем зв’язку, щоб ще більше підвищити ефективність передачі сигналів, люди об’єднуватимуть фотони та електрони для досягнення додаткових переваг, і народиться мікрохвильова фотоніка. Електрооптичний модулятор необхідний для перетворення електрики в світломікрохвильові фотонні системи, і цей ключовий крок зазвичай визначає продуктивність усієї системи. Оскільки перетворення радіочастотного сигналу в оптичний домен є процесом аналогового сигналу, причому звичайнимелектрооптичні модуляторимають властиву нелінійність, є серйозні спотворення сигналу в процесі перетворення. Щоб досягти приблизної лінійної модуляції, робоча точка модулятора зазвичай фіксується в точці ортогонального зсуву, але вона все ще не може відповідати вимогам мікрохвильової фотонної лінії щодо лінійності модулятора. Терміново потрібні електрооптичні модулятори з високою лінійністю.

Високошвидкісна модуляція показника заломлення кремнієвих матеріалів зазвичай досягається ефектом дисперсії плазми вільного носія (FCD). І ефект FCD, і модуляція PN-переходу є нелінійними, що робить кремнієвий модулятор менш лінійним, ніж модулятор ніобату літію. Матеріали з ніобату літію демонструють відмінні характеристикиелектрооптична модуляціявластивості завдяки їх ефекту Пукера. У той же час матеріал ніобату літію має переваги великої пропускної здатності, хороших характеристик модуляції, низьких втрат, легкої інтеграції та сумісності з напівпровідниковим процесом, використання тонкоплівкового ніобату літію для виготовлення високопродуктивного електрооптичного модулятора порівняно з кремнієм майже немає «короткої пластини», але також досягти високої лінійності. Перспективним напрямком розвитку став тонкоплівковий електрооптичний модулятор на ізоляторі з ніобату літію (LNOI). З розвитком технології підготовки матеріалу з тонкоплівкового ніобату літію та технології хвилеводного травлення висока ефективність перетворення та більш висока інтеграція електрооптичного модулятора з тонкоплівкового ніобату літію стали полем міжнародної академії та промисловості.

Характеристики тонкоплівкового ніобату літію
У Сполучених Штатах DAP AR planning зробила таку оцінку матеріалів з ніобату літію: якщо центр електронної революції названо на честь кремнієвого матеріалу, який робить її можливою, то батьківщина фотонної революції, ймовірно, буде названа на честь ніобату літію. . Це пояснюється тим, що ніобат літію об’єднує в собі електрооптичний ефект, акустооптичний ефект, п’єзоелектричний ефект, термоелектричний ефект і фоторефрактивний ефект, як кремнієві матеріали в області оптики.

З точки зору характеристик оптичної передачі, матеріал InP має найбільші втрати при передачі на кристалі через поглинання світла в широко використовуваному діапазоні 1550 нм. SiO2 і нітрид кремнію мають найкращі характеристики пропускання, а втрати можуть досягати рівня ~ 0,01 дБ/см; В даний час втрати хвилеводу тонкоплівкового хвилеводу з ніобату літію можуть досягати рівня 0,03 дБ/см, а втрати хвилеводу з тонкоплівкового ніобату літію можуть бути ще більше зменшені з постійним вдосконаленням технологічного рівня в майбутнє. Таким чином, тонкоплівковий матеріал ніобату літію демонструватиме хороші характеристики для пасивних світлових структур, таких як фотосинтетичний шлях, шунт і мікрокільце.

З точки зору генерації світла, тільки InP має здатність випромінювати світло безпосередньо; Тому для застосування мікрохвильових фотонів необхідно ввести джерело світла на основі InP на фотонному інтегрованому чіпі на основі LNOI шляхом зварювання із зворотним завантаженням або епітаксійного росту. З точки зору модуляції світла, було наголошено вище, що тонкоплівковий матеріал ніобату літію легше досягти більшої смуги модуляції, нижчої напівхвильової напруги та менших втрат передачі, ніж InP та Si. Крім того, висока лінійність електрооптичної модуляції тонкоплівкових матеріалів ніобату літію є важливою для всіх застосувань мікрохвильових фотонів.

З точки зору оптичної маршрутизації, високошвидкісна електрооптична відповідь тонкоплівкового матеріалу ніобату літію робить оптичний комутатор на основі LNOI здатним до високошвидкісної комутації оптичної маршрутизації, і енергоспоживання такої високошвидкісної комутації також дуже низьке. Для типового застосування інтегрованої мікрохвильової фотонної технології чіп з оптично керованим формуванням променя має здатність високошвидкісного перемикання, щоб задовольнити потреби швидкого сканування променя, а характеристики наднизького енергоспоживання добре адаптовані до суворих вимог великих -масштабна фазована решітка. Хоча оптичний комутатор на основі InP також може реалізувати високошвидкісне перемикання оптичних шляхів, це створить великий шум, особливо коли багаторівневий оптичний комутатор каскадований, коефіцієнт шуму буде серйозно погіршений. Кремній, SiO2 і нітрид кремнію можуть перемикати оптичні шляхи лише через термооптичний ефект або ефект дисперсії носіїв, недоліками яких є високе енергоспоживання та низька швидкість перемикання. Коли розмір масиву фазованої решітки великий, він не може відповідати вимогам енергоспоживання.

З точки зору оптичного підсилення,напівпровідниковий оптичний підсилювач (SOA) на основі InP вже зрілий для комерційного використання, але він має недоліки, такі як високий коефіцієнт шуму та низька вихідна потужність насичення, що не сприяє застосуванню мікрохвильових фотонів. Процес параметричного підсилення тонкоплівкового хвилеводу з ніобату літію, заснований на періодичній активації та інверсії, може досягти низького рівня шуму та високої потужності оптичного підсилення на чіпі, що цілком відповідає вимогам інтегрованої мікрохвильової фотонної технології для оптичного підсилення на чіпі.

Що стосується виявлення світла, тонкоплівковий ніобат літію має хороші характеристики пропускання світла в діапазоні 1550 нм. Функція фотоелектричного перетворення не може бути реалізована, тому для застосування мікрохвильових фотонів, щоб задовольнити потреби фотоелектричного перетворення на чіпі. Блоки виявлення InGaAs або Ge-Si необхідно впроваджувати на фотонних інтегрованих чіпах на основі LNOI шляхом зварювання із зворотним завантаженням або епітаксійного росту. З точки зору з’єднання з оптичним волокном, оскільки саме оптичне волокно є матеріалом SiO2, поле моди хвилеводу SiO2 має найвищий ступінь узгодження з полем моди оптичного волокна, і з’єднання є найзручнішим. Діаметр поля моди сильно обмеженого хвилеводу з тонкоплівкового ніобату літію становить близько 1 мкм, що значно відрізняється від поля моди оптичного волокна, тому для відповідності поля моди оптичного волокна необхідно виконати належне перетворення плям моди.

З точки зору інтеграції, наявність у різних матеріалів високого інтеграційного потенціалу залежить головним чином від радіуса вигину хвилеводу (на який впливає обмеження поля хвилевідної моди). Сильно обмежений хвилевід забезпечує менший радіус вигину, що є більш сприятливим для реалізації високої інтеграції. Тому тонкоплівкові хвилеводи з ніобату літію мають потенціал для досягнення високої інтеграції. Таким чином, поява тонкоплівкового ніобату літію робить можливим, щоб матеріал ніобату літію дійсно відігравав роль оптичного «кремнію». Для застосування мікрохвильових фотонів переваги тонкоплівкового ніобату літію більш очевидні.