Hög linjäritetelektrooptisk modulatoroch mikrovågsfotonapplikation
Med de ökande kraven på kommunikationssystem, för att ytterligare förbättra signalöverföringseffektiviteten, kommer människor att sammansmälta fotoner och elektroner för att uppnå kompletterande fördelar, och mikrovågsfotonik kommer att födas. Den elektrooptiska modulatorn behövs för att omvandla elektricitet till ljus imikrovågsfotoniska system, och detta viktiga steg avgör vanligtvis hela systemets prestanda. Eftersom omvandlingen av radiofrekvenssignaler till optiska domäner är en analog signalprocess, och vanligaelektrooptiska modulatorerhar inneboende olinjäritet, det finns allvarlig signalförvrängning i konverteringsprocessen. För att uppnå ungefärlig linjär modulering är modulatorns arbetspunkt vanligtvis fixerad vid den ortogonala förspänningspunkten, men den kan fortfarande inte uppfylla kraven för mikrovågsfotonlänk för modulatorns linjäritet. Elektrooptiska modulatorer med hög linjäritet behövs snarast.
Höghastighetsbrytningsindexmodulering av kiselmaterial uppnås vanligtvis genom fribärarplasmadispersion (FCD)-effekten. Både FCD-effekten och PN-övergångsmoduleringen är icke-linjära, vilket gör kiselmodulatorn mindre linjär än litiumniobatmodulatorn. Litiumniobatmaterial uppvisar utmärktaelektrooptisk moduleringegenskaper på grund av deras Pucker-effekt. Samtidigt har litiumniobatmaterialet fördelarna med stor bandbredd, goda moduleringsegenskaper, låg förlust, enkel integration och kompatibilitet med halvledarprocesser, och användningen av tunnfilmslitiumniobat för att tillverka högpresterande elektrooptiska modulatorer, jämfört med kisel nästan utan "kort platta", utan uppnår också hög linjäritet. Tunnfilmslitiumniobat (LNOI) elektrooptisk modulator på isolator har blivit en lovande utvecklingsriktning. Med utvecklingen av teknik för framställning av tunnfilmslitiumniobatmaterial och vågledaretsningsteknik har den höga omvandlingseffektiviteten och högre integrationen av tunnfilmslitiumniobatelektrooptiska modulatorer blivit ett område för internationell akademi och industri.
Egenskaper hos tunnfilmslitiumniobat
I USA har DAP AR-planningen gjort följande utvärdering av litiumniobatmaterial: om den elektroniska revolutionens centrum är uppkallat efter det kiselmaterial som möjliggör den, så är det troligt att fotonikrevolutionens födelseplats kommer att vara uppkallad efter litiumniobat. Detta beror på att litiumniobat integrerar elektrooptisk effekt, akustooptisk effekt, piezoelektrisk effekt, termoelektrisk effekt och fotorefraktiv effekt i ett, precis som kiselmaterial inom optiken.
När det gäller optiska transmissionsegenskaper har InP-materialet den största transmissionsförlusten på chipet på grund av ljusabsorption i det vanligt förekommande 1550 nm-bandet. SiO2 och kiselnitrid har de bästa transmissionsegenskaperna, och förlusten kan nå nivån ~ 0,01 dB/cm². För närvarande kan vågledarförlusten för tunnfilms-litiumniobatvågledare nå nivån 0,03 dB/cm², och förlusten för tunnfilms-litiumniobatvågledare har potential att minskas ytterligare med kontinuerliga förbättringar av den tekniska nivån i framtiden. Därför kommer tunnfilms-litiumniobatmaterialet att visa god prestanda för passiva ljusstrukturer såsom fotosyntetiska banor, shuntar och mikroringar.
När det gäller ljusgenerering är det endast InP som har förmågan att avge ljus direkt. Därför är det för tillämpning av mikrovågsfotoner nödvändigt att introducera den InP-baserade ljuskällan på det LNOI-baserade fotoniska integrerade chipet genom bakladdningssvetsning eller epitaxiell tillväxt. När det gäller ljusmodulering har det ovan betonats att tunnfilmslitiumniobatmaterial lättare uppnår större moduleringsbandbredd, lägre halvvågsspänning och lägre transmissionsförlust än InP och Si. Dessutom är den höga linjäriteten hos den elektrooptiska moduleringen av tunnfilmslitiumniobatmaterial avgörande för alla mikrovågsfotontillämpningar.
När det gäller optisk routing gör den höga elektrooptiska responsen hos tunnfilmslitiumniobatmaterialet att den LNOI-baserade optiska omkopplaren kan hantera höghastighetsomkoppling av optisk routing, och strömförbrukningen för sådan höghastighetsomkoppling är också mycket låg. För typisk tillämpning av integrerad mikrovågsfotonteknik har det optiskt styrda strålformningschippet förmågan att hantera höghastighetsomkoppling för att möta behoven hos snabb strålskanning, och egenskaperna för ultralåg strömförbrukning är väl anpassade till de strikta kraven hos storskaliga fasstyrda matriser. Även om den InP-baserade optiska omkopplaren också kan realisera höghastighetsomkoppling av optiska banor, kommer den att introducera stort brus, särskilt när den flernivåoptiska omkopplaren är kaskadkopplad, kommer bruskoefficienten att försämras avsevärt. Kisel-, SiO2- och kiselnitridmaterial kan bara växla optiska banor genom den termooptiska effekten eller bärardispersionseffekten, vilket har nackdelarna med hög strömförbrukning och långsam omkopplingshastighet. När matrisstorleken på den fasstyrda matrisen är stor kan den inte uppfylla kraven på strömförbrukning.
När det gäller optisk förstärkning,halvledaroptisk förstärkare (SOA) baserat på InP har mognat för kommersiell användning, men det har nackdelarna med hög bruskoefficient och låg mättnadsutgångseffekt, vilket inte är gynnsamt för tillämpning av mikrovågsfotoner. Den parametriska förstärkningsprocessen för tunnfilms-litiumniobatvågledare baserad på periodisk aktivering och inversion kan uppnå lågt brus och hög effekt optisk förstärkning på chipet, vilket väl kan uppfylla kraven för integrerad mikrovågsfotonteknik för optisk förstärkning på chipet.
När det gäller ljusdetektering har tunnfilmslitiumniobat goda transmissionsegenskaper för ljus i 1550 nm-bandet. Funktionen för fotoelektrisk omvandling kan inte realiseras, så för mikrovågsfotonapplikationer, för att möta behoven av fotoelektrisk omvandling på chipet, måste InGaAs- eller Ge-Si-detekteringsenheter introduceras på LNOI-baserade fotoniska integrerade chips genom bakbelastningssvetsning eller epitaxiell tillväxt. När det gäller koppling med optisk fiber, eftersom den optiska fibern i sig är tillverkad av SiO2-material, har SiO2-vågledarens modfält den högsta matchningsgraden med modfältet hos optisk fiber, och kopplingen är den mest praktiska. Modfältsdiametern för den starkt begränsade vågledaren hos tunnfilmslitiumniobat är cirka 1 μm, vilket skiljer sig helt från modfältet hos optisk fiber, så korrekt modfläckstransformation måste utföras för att matcha modfältet hos optisk fiber.
När det gäller integration beror huruvida olika material har en hög integrationspotential huvudsakligen på vågledarens böjningsradie (påverkad av begränsningen i vågledarlägesfältet). Den starkt begränsade vågledaren tillåter en mindre böjningsradie, vilket är mer gynnsamt för att uppnå hög integration. Därför har tunnfilmslitiumniobatvågledare potential att uppnå hög integration. Därför gör utseendet på tunnfilmslitiumniobat det möjligt för litiumniobatmaterialet att verkligen spela rollen som optiskt "kisel". För tillämpning av mikrovågsfotoner är fördelarna med tunnfilmslitiumniobat mer uppenbara.
Publiceringstid: 23 april 2024