Visoko integrirani elektrooptički modulator tankog filma litijum niobata

Visoka linearnostelektrooptički modulatori primjena mikrovalnih fotona
S rastućim zahtjevima komunikacijskih sistema, kako bi dodatno poboljšali efikasnost prijenosa signala, ljudi će spajati fotone i elektrone kako bi postigli komplementarne prednosti, i tako će se roditi mikrovalna fotonika. Elektrooptički modulator je potreban za pretvaranje električne energije u svjetlost u...mikrotalasni fotonski sistemi, a ovaj ključni korak obično određuje performanse cijelog sistema. Budući da je konverzija radiofrekventnog signala u optički domen analogni signalni proces, a uobičajenielektrooptički modulatoriimaju inherentnu nelinearnost, postoji ozbiljno izobličenje signala u procesu konverzije. Da bi se postigla približna linearna modulacija, radna tačka modulatora je obično fiksirana na ortogonalnu tačku pristranosti, ali i dalje ne može ispuniti zahtjeve mikrotalasne fotonske veze za linearnost modulatora. Elektrooptički modulatori sa visokom linearnošću su hitno potrebni.

Modulacija indeksa prelamanja velikom brzinom kod silicijumskih materijala obično se postiže efektom disperzije plazme slobodnih nosioca (FCD). I FCD efekat i modulacija PN spoja su nelinearne, što silicijumski modulator čini manje linearnim od modulatora litijum niobata. Materijali od litijum niobata pokazuju odličnaelektrooptička modulacijasvojstva zbog njihovog Pucker efekta. Istovremeno, materijal litijum niobat ima prednosti velikog propusnog opsega, dobrih modulacijskih karakteristika, malih gubitaka, jednostavne integracije i kompatibilnosti s poluprovodničkim procesima, korištenje tankog filma litijum niobat za izradu visokoučinkovitih elektrooptičkih modulatora, u usporedbi sa silicijem gotovo bez "kratke ploče", ali i za postizanje visoke linearnosti. Elektrooptički modulator tankog filma litijum niobat (LNOI) na izolatoru postao je obećavajući smjer razvoja. Razvojem tehnologije pripreme materijala tankog filma litijum niobat i tehnologije nagrizanja valovoda, visoka efikasnost konverzije i veća integracija elektrooptičkog modulatora tankog filma litijum niobat postale su područje međunarodne akademske zajednice i industrije.

Karakteristike tankog filma litijum niobata
U Sjedinjenim Američkim Državama, DAP AR planiranje je izvršilo sljedeću evaluaciju litijum niobatnih materijala: ako je centar elektronske revolucije nazvan po silicijumskom materijalu koji ju je omogućio, onda će rodno mjesto fotonske revolucije vjerovatno biti nazvano po litijum 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 uobičajeno korištenom opsegu od 1550 nm. SiO2 i silicijum nitrid imaju najbolje karakteristike prijenosa, a gubitak može doseći nivo od ~ 0,01 dB/cm; Trenutno, gubitak u valovodu tankoslojnog litijum niobatnog valovoda može doseći nivo od 0,03 dB/cm, a gubitak u tankoslojnom litijum niobatnom valovodu ima potencijal da se dodatno smanji kontinuiranim poboljšanjem tehnološkog nivoa u budućnosti. 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 svjetlosti, samo InP ima sposobnost direktnog emitovanja svjetlosti; Stoga je za primjenu mikrotalasnih fotona potrebno uvesti izvor svjetlosti baziran na InP na integrisani fotonski čip baziran na LNOI putem zavarivanja sa pozadinskim opterećenjem ili epitaksijalnog rasta. Što se tiče modulacije svjetlosti, gore je naglašeno da je kod tankoslojnih litijum niobatnih materijala lakše postići veći propusni opseg modulacije, niži polutalasni napon i niže gubitke pri prenosu nego kod InP i Si. Štaviše, visoka linearnost elektrooptičke modulacije tankoslojnih litijum niobatnih materijala je neophodna za sve primjene mikrotalasnih fotona.

Što se tiče optičkog usmjeravanja, brzi elektrooptički odziv tankog filma litijum niobatnog materijala čini optički prekidač baziran na LNOI sposobnim za brzo optičko usmjeravanje, a potrošnja energije takvog brzog preključivanja je također vrlo niska. Za tipičnu primjenu integrirane mikrovalne fotonske tehnologije, optički kontrolirani čip za formiranje snopa ima sposobnost brzog preključivanja kako bi zadovoljio potrebe brzog skeniranja snopa, a karakteristike ultra niske potrošnje energije dobro su prilagođene strogim zahtjevima velikih faznih nizova sistema. Iako optički prekidač baziran na InP-u također može ostvariti brzo optičko preključivanje puta, on će unijeti veliki šum, posebno kada je višerazinski optički prekidač kaskadan, koeficijent šuma će se ozbiljno pogoršati. Silicijumski, SiO2 i silicijum nitridni materijali mogu preključivati ​​optičke putanje samo putem termo-optičkog efekta ili efekta disperzije nosioca, što ima nedostatke velike potrošnje energije i spore brzine preključivanja. Kada je veličina niza faznog niza velika, ne može zadovoljiti zahtjeve potrošnje energije.

Što se tiče optičkog pojačanja,poluprovodničko optičko pojačalo (SOA) baziran na InP-u je zreo za komercijalnu upotrebu, ali ima nedostatke visokog koeficijenta šuma i niske izlazne snage zasićenja, što nije pogodno za primjenu mikrovalnih fotona. Proces parametarskog pojačanja tankoslojnog litijum-niobatnog talasovoda baziran na periodičnoj aktivaciji i inverziji može postići nisku razinu šuma i veliku snagu optičkog pojačanja na čipu, što može dobro zadovoljiti zahtjeve integrirane tehnologije mikrovalnih fotona za optičko pojačanje na čipu.

Što se tiče detekcije svjetlosti, tanki film litijum niobata ima dobre karakteristike prenosa svjetlosti u opsegu od 1550 nm. Funkcija fotoelektrične konverzije se ne može realizovati, pa se za primjene u mikrotalasnim fotonima, kako bi se zadovoljile potrebe fotoelektrične konverzije na čipu, moraju uvesti InGaAs ili Ge-Si detekcione jedinice na integrisane fotonske čipove bazirane na LNOI putem zavarivanja sa pozadinskim opterećenjem ili epitaksijalnog rasta. Što se tiče spajanja sa optičkim vlaknom, budući da je samo optičko vlakno SiO2 materijal, modno polje SiO2 talasovoda ima najveći stepen podudaranja sa modnim poljem optičkog vlakna, a spajanje je najpogodnije. Prečnik modnog polja snažno ograničenog talasovoda tankog filma litijum niobata je oko 1μm, što se prilično razlikuje od modnog polja optičkog vlakna, tako da se mora izvršiti odgovarajuća transformacija tačke moda kako bi se uskladilo sa modnim poljem optičkog vlakna.

Što se tiče integracije, da li različiti materijali imaju visok potencijal integracije uglavnom zavisi od radijusa savijanja talasovoda (na koji utiče ograničenje polja moda talasovoda). Snažno ograničen 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 niobatnog materijala omogućava litijum niobatnom materijalu da zaista igra ulogu optičkog "silicijuma". Za primjenu mikrotalasnih fotona, prednosti tankoslojnog litijum niobatnog materijala su očiglednije.