Više integrisani tankoslojni litijum niobatni elektro-optički modulator

Visoka linearnostelektro-optički modulatori primjena mikrovalnih fotona
Sa sve većim zahtjevima komunikacionih sistema, u cilju daljeg poboljšanja efikasnosti prijenosa signala, ljudi će spojiti fotone i elektrone kako bi postigli komplementarne prednosti, a rodit će se mikrovalna fotonika. Elektro-optički modulator je potreban za pretvaranje električne energije u svjetlomikrotalasne fotonske sisteme, a ovaj ključni korak obično određuje performanse cijelog sistema. Budući da je konverzija radiofrekventnog signala u optičku domenu analogni signalni proces, i to običanelektrooptički modulatoriimaju inherentnu nelinearnost, postoji ozbiljno izobličenje signala u procesu konverzije. Da bi se postigla približna linearna modulacija, radna tačka modulatora je obično fiksirana na ortogonalnoj tački bias-a, ali još uvijek ne može zadovoljiti zahtjeve mikrovalne fotonske veze za linearnost modulatora. Hitno su potrebni elektrooptički modulatori visoke linearnosti.

Modulacija indeksa loma velike brzine silicijumskih materijala obično se postiže efektom disperzije plazme slobodnih nosača (FCD). I FCD efekat i modulacija PN spoja su nelinearni, što čini silicijumski modulator manje linearnim od modulatora litijum niobata. Materijali litijum niobata pokazuju odlične rezultateelektrooptička modulacijasvojstva zbog njihovog Pucker efekta. U isto vrijeme, materijal litij niobata ima prednosti velikog propusnog opsega, dobrih modulacijskih karakteristika, niskih gubitaka, lake integracije i kompatibilnosti sa poluvodičkim procesom, upotrebe tankog filma litijum niobata za izradu elektro-optičkog modulatora visokih performansi, u poređenju sa silicijumom. skoro da nema "kratke ploče", ali i da postigne visoku linearnost. Tankoslojni litijum niobatni (LNOI) elektro-optički modulator na izolatoru postao je obećavajući pravac razvoja. Sa razvojem tehnologije pripreme tankoslojnog litijum-niobatnog materijala i tehnologije jetkanja talasovodom, visoka efikasnost konverzije i veća integracija tankoslojnog litijum-niobatnog elektro-optičkog modulatora postali su oblast međunarodne akademije i industrije.

Karakteristike tankog filma litijum niobata
U Sjedinjenim Državama DAP AR planiranje je izvršilo sljedeću procjenu materijala litij niobata: ako je centar elektronske revolucije nazvan po silicijumskom materijalu koji to omogućava, onda će mjesto rođenja fotoničke revolucije vjerovatno biti nazvano po litij niobatu . To je zato što litijum niobat integriše elektrooptički efekat, akustooptički efekat, piezoelektrični efekat, termoelektrični efekat i fotorefraktivni efekat u jednom, baš kao i silicijumski materijali u oblasti optike.

Što se tiče karakteristika optičkog prijenosa, InP materijal ima najveći gubitak prijenosa na čipu zbog apsorpcije svjetlosti u uobičajenom opsegu od 1550 nm. SiO2 i silicijum nitrid imaju najbolje karakteristike prenosa, a gubitak može dostići nivo od ~0,01dB/cm; Trenutno, gubitak talasovoda tankoslojnog litijum-niobatnog talasovoda može dostići nivo od 0,03dB/cm, a gubitak tankoslojnog litijum-niobatnog talasovoda ima potencijal da se dodatno smanji uz kontinuirano poboljšanje tehnološkog nivoa u budućnost. Stoga će tankoslojni litijum niobatni materijal pokazati dobre performanse za pasivne svjetlosne strukture kao što su fotosintetski put, šant i mikroprsten.

Što se tiče generisanja svetlosti, samo InP ima sposobnost da direktno emituje svetlost; Stoga je za primenu mikrotalasnih fotona neophodno uvesti izvor svetlosti zasnovan na InP na fotoničkom integrisanom čipu baziranom na LNOI metodom zavarivanja sa povratnim opterećenjem ili epitaksijalnog rasta. Što se tiče modulacije svjetlosti, gore je naglašeno da je tankoslojni litijum niobatni materijal lakše postići veći opseg modulacije, niži poluvalni napon i manji gubitak prijenosa od InP i Si. Štaviše, visoka linearnost elektro-optičke modulacije tankoslojnih materijala litij niobata je neophodna za sve primjene mikrovalnih fotona.

Što se tiče optičkog usmjeravanja, brzi elektrooptički odziv tankoslojnog litijum niobata materijala čini optički prekidač baziran na LNOI sposobnim za brzo prebacivanje optičkog rutiranja, a potrošnja energije takvog brzog prebacivanja je također vrlo niska. Za tipičnu primjenu integrirane mikrovalne fotonske tehnologije, optički kontrolirani čip za formiranje snopa ima mogućnost brzog prebacivanja kako bi zadovoljio potrebe brzog skeniranja zraka, a karakteristike ultra-niske potrošnje energije su dobro prilagođene strogim zahtjevima velikih -razmjerni sistem faznih nizova. Iako optički prekidač zasnovan na InP-u takođe može da realizuje brzo prebacivanje optičkog puta, on će uneti veliki šum, posebno kada je optički prekidač na više nivoa kaskadno, koeficijent šuma će biti ozbiljno pogoršan. Silicijum, SiO2 i materijali silicijum nitrida mogu samo da menjaju optičke puteve kroz termo-optički efekat ili efekat disperzije nosača, što ima nedostatke velike potrošnje energije i male brzine prebacivanja. Kada je veličina niza faznog niza velika, ne može zadovoljiti zahtjeve potrošnje energije.

U smislu optičkog pojačanja,poluvodičko optičko pojačalo (SOA) zasnovan na InP-u je zreo za komercijalnu upotrebu, ali ima nedostatke visokog koeficijenta buke i niske izlazne snage zasićenja, što nije pogodno za primjenu mikrotalasnih fotona. Proces parametarskog pojačanja tankoslojnog litijum-niobatnog talasovoda zasnovanog na periodičnoj aktivaciji i inverziji može postići optičko pojačanje niske buke i velike snage na čipu, koje može dobro ispuniti zahteve integrisane mikrotalasne fotonske tehnologije za optičko pojačanje na čipu.

Što se tiče detekcije svjetlosti, tankoslojni litijum niobat ima dobre karakteristike prijenosa na svjetlost u opsegu od 1550 nm. Funkcija fotoelektrične konverzije se ne može realizovati, pa za mikrovalne fotonske aplikacije, kako bi se zadovoljile potrebe fotoelektrične konverzije na čipu. InGaAs ili Ge-Si jedinice za detekciju treba da se uvedu na fotonske integrisane čipove bazirane na LNOI zavarivanjem ili epitaksijalnim rastom. Što se tiče spajanja sa optičkim vlaknom, pošto je samo optičko vlakno SiO2 materijal, polje moda SiO2 talasovoda ima najveći stepen podudaranja sa poljem moda optičkog vlakna, a spajanje je najpogodnije. Prečnik modnog polja jako ograničenog talasovoda tankog filma litijum niobata je oko 1 μm, što se prilično razlikuje od polja moda optičkog vlakna, tako da se mora izvršiti odgovarajuća transformacija tačke kako bi odgovarala modnom polju optičkog vlakna.

U smislu integracije, da li različiti materijali imaju visok integracioni potencijal zavisi uglavnom od radijusa savijanja talasovoda (na koji utiče ograničenje polja moda talasovoda). Snažno ograničeni talasovod omogućava manji radijus savijanja, što je pogodnije za realizaciju visoke integracije. Stoga, tankoslojni litijum-niobatni talasovodi imaju potencijal da postignu visoku integraciju. Stoga, pojava tankoslojnog litijum niobata omogućava da materijal litijum niobata zaista igra ulogu optičkog „silicijuma“. Za primjenu mikrovalnih fotona, prednosti tankog filma litijum niobata su očiglednije.