Modulator electro-optic cu peliculă subțire integrată superioară cu niobat de litiu

Liniaritate ridicatămodulator electro-opticși aplicarea fotonilor cu microunde
Odată cu creșterea cerințelor sistemelor de comunicații, pentru a îmbunătăți și mai mult eficiența transmisiei semnalelor, oamenii vor fuziona fotoni și electroni pentru a obține avantaje complementare, iar astfel se va naște fotonica cu microunde. Modulatorul electro-optic este necesar pentru conversia electricității în lumină.sisteme 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-opticeDeși au o neliniaritate inerentă, există o distorsiune serioasă 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 ortogonală, dar totuși nu poate îndeplini cerințele legăturii fotonice 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 se realizează de obicei prin efectul de dispersie a plasmei purtătorului liber (FCD). Atât efectul FCD, cât și modularea joncțiunii PN sunt neliniare, ceea ce face ca modulatorul de siliciu să fie mai puțin liniar decât modulatorul de niobat de litiu. Materialele din niobat de litiu prezintă caracteristici excelente...modulație electro-opticăproprietăți datorită efectului Pucker. În același timp, materialul niobat de litiu are avantajele unei lățimi de bandă mari, caracteristicilor bune de modulație, pierderilor reduse, integrării ușoare și compatibilității cu procesele semiconductoare, utilizând niobat de litiu cu peliculă subțire pentru a realiza modulatori electro-optic de înaltă performanță, comparativ cu siliciul, practic fără „placă scurtă”, dar și permițând obținerea unei liniarități ridicate. Modulatorul electro-optic cu niobat de litiu cu peliculă subțire (LNOI) pe izolator a devenit o direcție de dezvoltare promițătoare. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de preparare a materialelor cu niobat de litiu cu peliculă subțire și a tehnologiei de gravare a ghidurilor de undă, eficiența ridicată de conversie și integrarea superioară a modulatorului electro-optic cu niobat de litiu cu peliculă subțire au devenit domeniul mediului academic și industrial internațional.

Caracteristicile niobatului de litiu cu peliculă subțire
În Statele Unite, planificarea DAP AR a efectuat următoarea evaluare a materialelor pe bază de niobat de litiu: dacă centrul revoluției electronice este numit după materialul de siliciu care o face posibilă, atunci locul de naștere al revoluției fotonice este probabil să fie numit după niobatul de litiu. Acest lucru se datorează faptului că niobatul de litiu integrează efectul electro-optic, efectul acusto-optic, efectul piezoelectric, efectul termoelectric și efectul fotorefractiv într-unul singur, la fel ca materialele pe bază 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 1550 nm 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 din niobat de litiu cu peliculă subțire poate atinge nivelul de 0,03 dB/cm, iar pierderea ghidului de undă din niobat de litiu cu peliculă subțire are potențialul de a fi redusă în continuare odată cu îmbunătățirea continuă a nivelului tehnologic în viitor. Prin urmare, materialul din niobat de litiu cu peliculă subțire va demonstra performanțe bune pentru structurile pasive de lumină, cum ar fi calea fotosintetică, șuntul și microinelele.

În ceea ce privește generarea de lumină, doar InP are capacitatea de a emite lumină direct; prin urmare, pentru aplicarea fotonilor cu microunde, este necesară introducerea sursei de lumină bazate pe InP pe cipul integrat fotonic bazat pe LNOI prin sudură cu încărcare inversă sau creștere epitaxială. În ceea ce privește modulația 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 modulație mai mare, o tensiune de jumătate de undă mai mică și o pierdere de transmisie mai mică decât InP și Si. Mai mult, liniaritatea ridicată a modulației electro-optice a materialelor de niobat de litiu cu peliculă subțire este esențială pentru toate aplicațiile fotonice cu microunde.

În ceea ce privește rutarea optică, răspunsul electro-optic de mare viteză al materialului subțire de niobat de litiu face ca comutatorul optic bazat pe LNOI să fie capabil de comutare 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 rapidă a fasciculului, iar caracteristicile consumului ultra-redus de energie sunt bine adaptate cerințelor stricte ale sistemului de matrice fazată la scară largă. Deși comutatorul optic bazat pe InP poate realiza, de asemenea, o comutare de mare viteză a căii optice, va introduce un zgomot mare, în special atunci când comutatorul optic multinivel este în cascadă, coeficientul de zgomot se va deteriora serios. Materialele de siliciu, SiO2 și nitrură de siliciu pot comuta căile optice doar prin efectul termo-optic sau efectul de dispersie a purtătorului, ceea ce are dezavantajele consumului ridicat de energie și vitezei lente de comutare. Atunci când dimensiunea matricei fazate este mare, aceasta nu poate îndeplini cerințele de consum de energie.

În ceea ce privește amplificarea optică,amplificator optic semiconductor (SOA) bazat pe InP a fost matur pentru utilizare comercială, dar prezintă dezavantajele unui coeficient de zgomot ridicat și a unei puteri de ieșire de saturație scăzute, ceea ce nu este propice aplicării fotonilor cu microunde. Procesul de amplificare parametrică a ghidului de undă cu niobat de litiu cu peliculă subțire, bazat pe activare și inversiune periodică, poate obține o amplificare optică on-chip cu zgomot redus și putere mare, ceea ce poate îndeplini cerințele tehnologiei integrate a fotonilor cu microunde pentru amplificarea optică on-chip.

În ceea ce privește detectarea luminii, pelicula subțire de niobat de litiu are caracteristici bune de transmisie a luminii în banda de 1550 nm. Funcția de conversie fotoelectrică nu poate fi realizată, așadar, pentru aplicațiile fotonice cu microunde, pentru a satisface nevoile conversiei fotoelectrice pe cip, unitățile de detecție InGaAs sau Ge-Si trebuie introduse pe cipurile integrate fotonice bazate pe LNOI prin sudură backloading sau creștere epitaxială. În ceea ce privește cuplarea cu fibra optică, deoarece fibra optică în sine este din 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 peliculei subțiri de niobat de litiu este de aproximativ 1 μm, ceea ce este destul de diferit de câmpul de mod al fibrei optice, așadar trebuie efectuată o transformare corectă a punctului de mod pentru a se potrivi cu câmpul de mod al fibrei optice.

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