Modulator electro-optic integrat cu niobat de litiu cu peliculă subțire

Liniaritate ridicatămodulator electro-opticși aplicarea de fotoni la microunde
Odată cu cerințele tot mai mari ale sistemelor de comunicații, pentru a îmbunătăți în continuare eficiența transmisiei semnalelor, oamenii vor fuziona fotoni și electroni pentru a obține avantaje complementare, iar fotonica cu microunde se va naște. Modulatorul electro-optic este necesar pentru conversia electricității în luminăsisteme fotonice cu microunde, iar acest pas cheie determină de obicei performanța întregului sistem. Deoarece conversia semnalului de radiofrecvență în domeniul optic este un proces de semnal analogic și obișnuitmodulatoare electro-opticeau neliniaritate inerentă, există o distorsiune gravă a semnalului în procesul de conversie. Pentru a obține o modulație liniară aproximativă, punctul de funcționare al modulatorului este de obicei fixat la punctul de polarizare ortogonal, dar încă nu poate îndeplini cerințele legăturii fotonilor cu microunde pentru liniaritatea modulatorului. Sunt necesare urgent modulatoare electro-optice cu liniaritate ridicată.

Modularea de mare viteză a indicelui de refracție a materialelor din siliciu este de obicei realizată prin efectul de dispersie a plasmei purtător liber (FCD). Atât efectul FCD, cât și modulația joncțiunii PN sunt neliniare, ceea ce face ca modulatorul de siliciu să fie mai puțin liniar decât modulatorul de niobat de litiu. Materialele cu niobat de litiu sunt excelentemodulația electro-opticăproprietăți datorită efectului lor Pucker. În același timp, materialul de niobat de litiu are avantajele lățimii de bandă mari, caracteristici bune de modulare, pierderi reduse, integrare ușoară și compatibilitate cu procesul de semiconductor, utilizarea niobatului de litiu cu peliculă subțire pentru a face un modulator electro-optic de înaltă performanță, în comparație cu siliciu. aproape nicio „placă scurtă”, dar și pentru a obține o liniaritate ridicată. Modulatorul electro-optic de niobat de litiu cu peliculă subțire (LNOI) pe izolator a devenit o direcție de dezvoltare promițătoare. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de pregătire a materialelor cu niobat de litiu cu peliculă subțire și a tehnologiei de gravare cu ghid de undă, eficiența ridicată de conversie și integrarea mai mare a modulatorului electro-optic cu niobat de litiu cu peliculă subțire au devenit domeniul academic și industriei internaționale.

Caracteristicile niobatului de litiu cu peliculă subțire
În Statele Unite, planificarea DAP AR a făcut următoarea evaluare a materialelor cu niobat de litiu: dacă centrul revoluției electronice este numit după materialul de siliciu care o face posibil, atunci locul de naștere al revoluției fotonicei este probabil să fie numit după niobat de litiu. . Acest lucru se datorează faptului că niobatul de litiu integrează într-unul singur efectul electro-optic, efectul acusto-optic, efectul piezoelectric, efectul termoelectric și efectul fotorefractiv, la fel ca materialele de siliciu din domeniul opticii.

În ceea ce privește caracteristicile de transmisie optică, materialul InP are cea mai mare pierdere de transmisie pe cip datorită absorbției luminii în banda de 1550nm utilizată în mod obișnuit. SiO2 și nitrura de siliciu au cele mai bune caracteristici de transmisie, iar pierderea poate atinge nivelul de ~ 0,01 dB/cm; În prezent, pierderea ghidului de undă a ghidului de undă cu niobat de litiu cu peliculă subțire poate atinge nivelul de 0,03 dB/cm, iar pierderea ghidului de undă cu niobat de litiu cu peliculă subțire are potențialul de a fi redusă și mai mult odată cu îmbunătățirea continuă a nivelului tehnologic în viitor. Prin urmare, materialul de niobat de litiu cu peliculă subțire va prezenta o performanță bună pentru structurile luminoase pasive, cum ar fi calea fotosintetică, șuntul și microringul.

În ceea ce privește generarea de lumină, doar InP are capacitatea de a emite lumină direct; Prin urmare, pentru aplicarea fotonilor cu microunde, este necesar să se introducă sursa de lumină bazată pe InP pe cipul integrat fotonic bazat pe LNOI prin sudarea cu încărcare inversă sau creșterea epitaxială. În ceea ce privește modularea luminii, s-a subliniat mai sus că materialul de niobat de litiu cu peliculă subțire este mai ușor de obținut o lățime de bandă de modulare mai mare, o tensiune mai mică de jumătate de undă și o pierdere de transmisie mai mică decât InP și Si. Mai mult, liniaritatea ridicată a modulării electro-optice a materialelor cu niobat de litiu cu peliculă subțire este esențială pentru toate aplicațiile cu fotoni cu microunde.

În ceea ce privește rutarea optică, răspunsul electro-optic de mare viteză al materialului de niobat de litiu cu peliculă subțire face ca comutatorul optic bazat pe LNOI să fie capabil de comutare de rutare optică de mare viteză, iar consumul de energie al unei astfel de comutări de mare viteză este, de asemenea, foarte scăzut. Pentru aplicarea tipică a tehnologiei integrate de fotoni cu microunde, cipul de formare a fasciculului controlat optic are capacitatea de comutare de mare viteză pentru a satisface nevoile de scanare a fasciculului rapid, iar caracteristicile consumului de energie ultra-scăzut sunt bine adaptate la cerințele stricte ale marilor -scale phased array system. Deși comutatorul optic bazat pe InP poate realiza și comutare de mare viteză a căii optice, va introduce zgomot mare, mai ales atunci când comutatorul optic pe mai multe niveluri este în cascadă, coeficientul de zgomot va fi grav deteriorat. Materialele de siliciu, SiO2 și nitrură de siliciu pot comuta căile optice numai prin efectul termo-optic sau efectul de dispersie a purtătorului, care are dezavantajele consumului mare de energie și vitezei de comutare lente. Atunci când dimensiunea matricei în faze este mare, aceasta nu poate îndeplini cerințele de consum de energie.

În ceea ce privește amplificarea optică, celamplificator optic cu semiconductor (SOA) bazat pe InP a fost matur pentru uz comercial, dar are dezavantajele coeficientului ridicat de zgomot și a puterii de ieșire de saturație scăzută, ceea ce nu este propice pentru aplicarea fotonilor cu microunde. Procesul de amplificare parametrică a ghidului de undă cu niobat de litiu cu peliculă subțire bazat pe activarea și inversarea periodică poate obține o amplificare optică pe cip cu zgomot redus și putere mare, care poate îndeplini bine cerințele tehnologiei integrate de fotoni cu microunde pentru amplificarea optică pe cip.

În ceea ce privește detectarea luminii, niobatul de litiu cu peliculă subțire are caracteristici bune de transmisie la lumină în banda de 1550 nm. Funcția de conversie fotoelectrică nu poate fi realizată, deci pentru aplicațiile cu fotoni cu microunde, pentru a satisface nevoile de conversie fotoelectrică pe cip. Unitățile de detectare InGaAs sau Ge-Si trebuie introduse pe cipurile integrate fotonice bazate pe LNOI prin sudare cu încărcare inversă sau creștere epitaxială. În ceea ce privește cuplarea cu fibra optică, deoarece fibra optică în sine este material SiO2, câmpul de mod al ghidului de undă SiO2 are cel mai înalt grad de potrivire cu câmpul de mod al fibrei optice, iar cuplarea este cea mai convenabilă. Diametrul câmpului de mod al ghidului de undă puternic restricționat al niobatului de litiu cu peliculă subțire este de aproximativ 1 μm, ceea ce este destul de diferit de câmpul de mod al fibrei optice, așa că trebuie efectuată transformarea punctului de mod adecvat pentru a se potrivi cu câmpul de modul al fibrei optice.

În ceea ce privește integrarea, dacă diferitele materiale au un potențial de integrare ridicat depinde în principal de raza de îndoire a ghidului de undă (afectată de limitarea câmpului modului ghidului de undă). Ghidul de undă puternic restrâns permite o rază de îndoire mai mică, ceea ce este mai propice pentru realizarea unei integrări ridicate. Prin urmare, ghidurile de undă cu niobat de litiu cu peliculă subțire au potențialul de a obține o integrare ridicată. Prin urmare, aspectul niobatului de litiu cu peliculă subțire face posibil ca materialul cu niobat de litiu să joace cu adevărat rolul de „siliciu” optic. Pentru aplicarea fotonilor cu microunde, avantajele niobatului de litiu cu peliculă subțire sunt mai evidente.