Високоінтегрований тонкоплівковий електрооптичний модулятор на основі ніобату літію

Висока лінійністьелектрооптичний модуляторта застосування мікрохвильових фотонів
Зі зростанням вимог до систем зв'язку, щоб ще більше покращити ефективність передачі сигналів, люди об'єднуватимуть фотони та електрони для досягнення додаткових переваг, і так народиться мікрохвильова фотоніка. Електрооптичний модулятор необхідний для перетворення електрики на світло в...мікрохвильові фотонні системи, і цей ключовий крок зазвичай визначає продуктивність усієї системи. Оскільки перетворення радіочастотного сигналу в оптичний домен є процесом аналогового сигналу, і звичайніелектрооптичні модуляторимають притаманну нелінійність, що призводить до серйозних спотворень сигналу в процесі перетворення. Для досягнення приблизної лінійної модуляції робоча точка модулятора зазвичай фіксується в ортогональній точці зміщення, але це все одно не може задовольнити вимоги мікрохвильового фотонного каналу для лінійності модулятора. Терміново потрібні електрооптичні модулятори з високою лінійністю.

Високошвидкісна модуляція показника заломлення кремнієвих матеріалів зазвичай досягається за допомогою ефекту плазмової дисперсії вільних носіїв (FCD). Як ефект FCD, так і модуляція PN-переходу є нелінійними, що робить кремнієвий модулятор менш лінійним, ніж модулятор ніобату літію. Матеріали на основі ніобату літію демонструють чудовіелектрооптична модуляціявластивості завдяки ефекту Пукера. Водночас, матеріал на основі ніобату літію має такі переваги, як широка смуга пропускання, добрі характеристики модуляції, низькі втрати, легка інтеграція та сумісність з напівпровідниковими процесами. Використання тонкоплівкового ніобату літію для створення високопродуктивних електрооптичних модуляторів, порівняно з кремнієм, майже не має «короткої пластини», а також забезпечує високу лінійність. Тонкоплівковий електрооптичний модулятор на ізоляторі на основі ніобату літію (LNOI) став перспективним напрямком розвитку. З розвитком технології підготовки матеріалів на основі ніобату літію з тонких плівок та технології травлення хвилеводів, висока ефективність перетворення та вища інтеграція електрооптичного модулятора на основі ніобату літію стали сферою міжнародної академічної та промислової діяльності.

Характеристики тонкоплівкового ніобату літію
У Сполучених Штатах DAP AR планування зробило таку оцінку матеріалів на основі ніобату літію: якщо центр електронної революції названо на честь кремнієвого матеріалу, який її зробив можливою, то місце народження фотонної революції, ймовірно, буде названо на честь ніобату літію. Це пояснюється тим, що ніобат літію поєднує в собі електрооптичний ефект, акустооптичний ефект, п'єзоелектричний ефект, термоелектричний ефект та фоторефракційний ефект, подібно до кремнієвих матеріалів в галузі оптики.

Що стосується характеристик оптичної передачі, матеріал InP має найбільші втрати передачі на кристалі через поглинання світла в загальновживаному діапазоні 1550 нм. SiO2 та нітрид кремнію мають найкращі характеристики передачі, а втрати можуть досягати рівня ~ 0,01 дБ/см; наразі втрати в хвилеводі тонкоплівкового хвилеводу з ніобату літію можуть досягати рівня 0,03 дБ/см, і втрати в тонкоплівковому хвилеводі з ніобату літію можуть бути ще більше зменшені завдяки постійному вдосконаленню технологічного рівня в майбутньому. Таким чином, тонкоплівковий матеріал з ніобату літію продемонструє хороші характеристики для пасивних світлових структур, таких як фотосинтетичний шлях, шунт та мікрокільця.

Що стосується генерації світла, лише InP має здатність випромінювати світло безпосередньо; тому для застосування мікрохвильових фотонів необхідно ввести джерело світла на основі InP на фотонний інтегрований чіп на основі LNOI шляхом зворотного завантаження зварювання або епітаксіального росту. Щодо модуляції світла, вище було наголошено, що тонкоплівковий матеріал ніобату літію легше досягти більшої смуги пропускання модуляції, нижчої напівхвильової напруги та нижчих втрат на передачу, ніж InP та Si. Крім того, висока лінійність електрооптичної модуляції тонкоплівкових матеріалів ніобату літію є важливою для всіх застосувань мікрохвильових фотонів.

Що стосується оптичної маршрутизації, високошвидкісний електрооптичний відгук тонкоплівкового матеріалу ніобату літію робить оптичний комутатор на основі LNOI здатним до високошвидкісного оптичного перемикання, а енергоспоживання такого високошвидкісного перемикання також дуже низьке. Для типового застосування інтегрованої технології мікрохвильових фотонів оптично керований чіп формування променя має здатність до високошвидкісного перемикання, що задовольняє потреби швидкого сканування променя, а характеристики наднизького енергоспоживання добре адаптовані до суворих вимог великомасштабної фазованої решітчастої системи. Хоча оптичний комутатор на основі InP також може реалізувати високошвидкісне перемикання оптичних шляхів, він створюватиме значний шум, особливо коли багаторівневий оптичний комутатор каскадований, коефіцієнт шуму значно погіршиться. Кремнієві, SiO2 та нітрид-кремнієві матеріали можуть перемикати оптичні шляхи лише за рахунок термооптичного ефекту або ефекту дисперсії носіїв, що має недоліки у вигляді високого енергоспоживання та низької швидкості перемикання. Коли розмір фазованої решітки великий, вона не може задовольнити вимоги щодо енергоспоживання.

Що стосується оптичного підсилення, тонапівпровідниковий оптичний підсилювач (Сертифікована архітектура (SOA)) на основі InP є зрілим для комерційного використання, але має недоліки високого коефіцієнта шуму та низької вихідної потужності насичення, що не сприяє застосуванню мікрохвильових фотонів. Процес параметричного посилення тонкоплівкового хвилеводу з ніобату літію на основі періодичної активації та інверсії може досягти низького рівня шуму та високої потужності оптичного посилення на кристалі, що добре відповідає вимогам інтегрованої технології мікрохвильових фотонів для оптичного посилення на кристалі.

Що стосується виявлення світла, тонкоплівковий ніобат літію має хороші характеристики пропускання світла в діапазоні 1550 нм. Функцію фотоелектричного перетворення реалізувати неможливо, тому для застосувань мікрохвильових фотонів, щоб задовольнити потреби фотоелектричного перетворення на кристалі, необхідно впроваджувати блоки детектування InGaAs або Ge-Si на інтегрованих фотонних кристалах на основі LNOI шляхом зворотного зварювання або епітаксіального вирощування. Що стосується з'єднання з оптичним волокном, оскільки саме оптичне волокно виготовлене з матеріалу SiO2, поле моди хвилеводу SiO2 має найвищий ступінь узгодження з полем моди оптичного волокна, і це з'єднання є найзручнішим. Діаметр поля моди сильно обмеженого хвилеводу тонкоплівкового ніобату літію становить близько 1 мкм, що суттєво відрізняється від поля моди оптичного волокна, тому необхідно виконати належне перетворення плями моди, щоб узгодити поле моди оптичного волокна.

З точки зору інтеграції, те, чи мають різні матеріали високий потенціал інтеграції, залежить головним чином від радіуса вигину хвилеводу (на який впливає обмеження поля хвилеводної моди). Сильно обмежений хвилевід дозволяє менший радіус вигину, що більше сприяє реалізації високої інтеграції. Отже, тонкоплівкові хвилеводи з ніобату літію мають потенціал для досягнення високої інтеграції. Таким чином, поява тонкоплівкового ніобату літію дозволяє матеріалу на основі ніобату літію дійсно грати роль оптичного «кремнію». Для застосування мікрохвильових фотонів переваги тонкоплівкового ніобату літію є більш очевидними.