Višji integrirani tankoslojni elektrooptični modulator iz litijevega niobata

Visoka linearnostelektrooptični modulatorin uporaba mikrovalovnih fotonov
Z naraščajočimi zahtevami komunikacijskih sistemov bodo ljudje z namenom nadaljnjega izboljšanja učinkovitosti prenosa signalov spajali fotone in elektrone, da bi dosegli dodatne prednosti, in rodila se bo mikrovalovna fotonika. Za pretvorbo električne energije v svetlobo je potreben elektrooptični modulatormikrovalovni fotonski sistemi, in ta ključni korak običajno določa delovanje celotnega sistema. Ker je pretvorba radiofrekvenčnega signala v optično domeno postopek analognega signala in navadenelektrooptični modulatorjiimajo lastno nelinearnost, pride do resnega popačenja signala v procesu pretvorbe. Da bi dosegli približno linearno modulacijo, je delovna točka modulatorja običajno fiksirana na točki pravokotne prednapetosti, vendar še vedno ne more izpolniti zahtev mikrovalovne fotonske povezave za linearnost modulatorja. Elektrooptični modulatorji z visoko linearnostjo so nujno potrebni.

Modulacija lomnega količnika visoke hitrosti silicijevih materialov se običajno doseže z učinkom disperzije plazme s prostim nosilcem (FCD). Tako učinek FCD kot modulacija PN spoja sta nelinearna, zaradi česar je silicijev modulator manj linearen kot modulator litijevega niobata. Materiali iz litijevega niobata so odličnielektrooptična modulacijalastnosti zaradi Puckerjevega učinka. Hkrati ima material litijevega niobata prednosti velike pasovne širine, dobrih modulacijskih značilnosti, nizke izgube, enostavne integracije in združljivosti s polprevodniškim procesom, uporabo tankoslojnega litijevega niobata za izdelavo visoko zmogljivega elektrooptičnega modulatorja v primerjavi s silicijem skoraj brez "kratke plošče", ampak tudi za doseganje visoke linearnosti. Tankoplastni elektrooptični modulator litijevega niobata (LNOI) na izolatorju je postal obetavna razvojna smer. Z razvojem tehnologije priprave materiala iz tankoslojnega litijevega niobata in tehnologije valovodnega jedkanja sta visoka učinkovitost pretvorbe in višja integracija elektrooptičnega modulatorja iz tankoslojnega litijevega niobata postala področje mednarodnih akademij in industrije.

Značilnosti tankoslojnega litijevega niobata
V Združenih državah je DAP AR načrtoval naslednjo oceno materialov iz litijevega niobata: če je središče elektronske revolucije poimenovano po silicijevem materialu, ki to omogoča, potem bo rojstni kraj fotonske revolucije verjetno poimenovan po litijevem niobatu. . To je zato, ker litijev niobat združuje elektro-optični učinek, akustično-optični učinek, piezoelektrični učinek, termoelektrični učinek in fotorefraktivni učinek v enem, tako kot silicijevi materiali na področju optike.

Kar zadeva značilnosti optičnega prenosa, ima material InP največjo izgubo prenosa na čipu zaradi absorpcije svetlobe v običajno uporabljenem pasu 1550 nm. SiO2 in silicijev nitrid imata najboljše prenosne lastnosti, izguba pa lahko doseže raven ~ 0,01 dB/cm; Trenutno lahko izguba valovoda valovoda s tanko plastjo litijevega niobata doseže raven 0,03 dB/cm, izguba valovoda s tanko plastjo litijevega niobata pa se lahko še dodatno zmanjša z nenehnim izboljševanjem tehnološke ravni v prihodnost. Zato bo tankoslojni material litijevega niobata pokazal dobro delovanje za pasivne svetlobne strukture, kot so fotosintetična pot, šant in mikro obroč.

Kar zadeva ustvarjanje svetlobe, lahko samo InP neposredno oddaja svetlobo; Zato je za uporabo mikrovalovnih fotonov potrebno uvesti vir svetlobe na osnovi InP na fotoničnem integriranem čipu, ki temelji na LNOI, z varjenjem ali epitaksialno rastjo. Kar zadeva modulacijo svetlobe, je bilo zgoraj poudarjeno, da je s tankoslojnim materialom litij-niobat lažje doseči večjo pasovno širino modulacije, nižjo polvalovno napetost in manjšo izgubo prenosa kot InP in Si. Poleg tega je visoka linearnost elektrooptične modulacije tankoslojnih materialov litijevega niobata bistvena za vse aplikacije mikrovalovnih fotonov.

Kar zadeva optično usmerjanje, visokohitrostni elektro-optični odziv tankoslojnega materiala litij-niobat omogoča, da je optično stikalo na osnovi LNOI sposobno hitrega preklapljanja optičnega usmerjanja, poraba energije pri takem hitrem preklapljanju pa je tudi zelo nizka. Za tipično uporabo integrirane mikrovalovne fotonske tehnologije ima optično nadzorovan čip za oblikovanje snopa možnost hitrega preklapljanja, da zadosti potrebam hitrega skeniranja snopa, lastnosti ultra nizke porabe energije pa so dobro prilagojene strogim zahtevam velikih sistem s faznimi nizi. Čeprav lahko optično stikalo, ki temelji na InP, realizira tudi visokohitrostno preklapljanje optične poti, bo povzročilo velik hrup, zlasti ko je večnivojsko optično stikalo kaskadno, se bo koeficient hrupa resno poslabšal. Materiali iz silicija, SiO2 in silicijevega nitrida lahko preklapljajo optične poti le s termooptičnim učinkom ali učinkom disperzije nosilca, ki imata slabosti veliko porabo energije in nizko hitrost preklapljanja. Ko je velikost niza faznega niza velika, ne more izpolniti zahtev glede porabe energije.

Kar zadeva optično ojačanje, jepolprevodniški optični ojačevalnik (SOA), ki temelji na InP, je bil zrel za komercialno uporabo, vendar ima slabosti visok koeficient hrupa in nizko izhodno moč nasičenja, kar ni ugodno za uporabo mikrovalovnih fotonov. Proces parametričnega ojačanja tankoslojnega valovoda iz litijevega niobata, ki temelji na periodični aktivaciji in inverziji, lahko doseže optično ojačanje na čipu z nizkim šumom in visoko močjo, ki lahko dobro izpolni zahteve integrirane mikrovalovne fotonske tehnologije za optično ojačanje na čipu.

Kar zadeva zaznavanje svetlobe, ima tankoslojni litijev niobat dobre lastnosti prenosa svetlobe v pasu 1550 nm. Funkcije fotoelektrične pretvorbe ni mogoče uresničiti, zato za mikrovalovne fotonske aplikacije, da bi zadostili potrebam fotoelektrične pretvorbe na čipu. InGaAs ali Ge-Si enote za zaznavanje je treba uvesti na fotonskih integriranih čipih, ki temeljijo na LNOI, z varjenjem v ozadju ali epitaksialno rastjo. Kar zadeva spajanje z optičnim vlaknom, ker je samo optično vlakno material SiO2, ima modalno polje valovoda SiO2 najvišjo stopnjo ujemanja z načinskim poljem optičnega vlakna in sklopitev je najprimernejša. Premer modalnega polja močno omejenega valovoda tankoslojnega litijevega niobata je približno 1 μm, kar se precej razlikuje od modalnega polja optičnega vlakna, zato je treba izvesti ustrezno transformacijo modalne točke, da se ujema z modalnim poljem optičnega vlakna.

Kar zadeva integracijo, je to, ali imajo različni materiali visok integracijski potencial, odvisno predvsem od upogibnega polmera valovoda (na katerega vpliva omejitev polja valovodnega načina). Močno omejen valovod omogoča manjši upogibni radij, kar je bolj ugodno za uresničitev visoke integracije. Zato lahko tankoplastni valovod iz litijevega niobata doseže visoko integracijo. Zato pojav tankoslojnega litijevega niobata omogoča, da material litijevega niobata resnično igra vlogo optičnega "silicija". Za uporabo mikrovalovnih fotonov so prednosti tankoslojnega litijevega niobata bolj očitne.