Visoka linearnostelektrooptični modulatorin uporaba mikrovalovnega fotona
Z naraščajočimi zahtevami komunikacijskih sistemov bodo ljudje za nadaljnje izboljšanje učinkovitosti prenosa signalov združevali fotone in elektrone, da bi dosegli komplementarne prednosti, in rodila se bo mikrovalovna fotonika. Elektrooptični modulator je potreben za pretvorbo električne energije v svetlobo vmikrovalovni fotonski sistemi, in ta ključni korak običajno določa delovanje celotnega sistema. Ker je pretvorba radiofrekvenčnega signala v optično domeno analogni signalni proces in običajnielektrooptični modulatorjiimajo inherentno nelinearnost, v procesu pretvorbe pride do resnega popačenja signala. Da bi dosegli približno linearno modulacijo, je delovna točka modulatorja običajno fiksirana na ortogonalni točki odklona, vendar še vedno ne more izpolniti zahtev mikrovalovne fotonske povezave za linearnost modulatorja. Nujno so potrebni elektrooptični modulatorji z visoko linearnostjo.
Visokohitrostna modulacija lomnega količnika silicijevih materialov se običajno doseže z učinkom disperzije plazme prostih nosilcev (FCD). Tako učinek FCD kot modulacija PN-stika sta nelinearna, zaradi česar je silicijev modulator manj linearen kot modulator litijevega niobata. Litijev niobatni materiali kažejo odlične lastnosti.elektrooptična modulacijalastnosti zaradi Puckerjevega učinka. Hkrati ima litijev niobat prednosti velike pasovne širine, dobrih modulacijskih lastnosti, nizkih izgub, enostavne integracije in združljivosti s polprevodniškimi procesi. Uporaba tankoplastnega litijevega niobata za izdelavo visokozmogljivih elektrooptičnih modulatorjev v primerjavi s silicijem skoraj nima "kratke plošče", hkrati pa dosega tudi visoko linearnost. Elektrooptični modulator tankoplastnega litijevega niobata (LNOI) na izolatorju je postal obetavna razvojna smer. Z razvojem tehnologije priprave tankoplastnega litijevega niobatnega materiala in tehnologije jedkanja valovodov sta visoka učinkovitost pretvorbe in večja integracija elektrooptičnega modulatorja tankoplastnega litijevega niobata postala področje mednarodne akademske skupnosti in industrije.
Značilnosti tankoslojnega litijevega niobata
V Združenih državah Amerike je načrtovanje DAP AR opravilo naslednjo oceno materialov litijevega niobata: če je središče elektronske revolucije poimenovano po silicijevem materialu, ki jo omogoča, potem bo rojstni kraj fotonske revolucije verjetno poimenovan po litijevem niobatu. To je zato, ker litijev niobat združuje elektrooptični učinek, akustično-optični učinek, piezoelektrični učinek, termoelektrični učinek in fotorefraktivni učinek v enem, tako kot silicijevi materiali na področju optike.
Kar zadeva optične prenosne lastnosti, ima material InP največje prenosne izgube 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 tankoplastnega litijevega niobatnega valovoda doseže raven 0,03 dB/cm, izguba tankoplastnega litijevega niobatnega valovoda pa se lahko v prihodnosti z nenehnim izboljševanjem tehnološke ravni še zmanjša. Zato bo tankoplastni litijev niobatni material pokazal dobre rezultate pri pasivnih svetlobnih strukturah, kot so fotosintetske poti, shunt in mikro obroči.
Kar zadeva generiranje svetlobe, ima le InP sposobnost neposrednega oddajanja svetlobe; zato je za uporabo mikrovalovnih fotonov potrebno na integrirani fotonski čip, ki temelji na LNOI, vnesti svetlobni vir na osnovi InP z varjenjem z odmrzovanjem ali epitaksialno rastjo. Kar zadeva modulacijo svetlobe, je bilo zgoraj poudarjeno, da je s tankoplastnim litijevim niobatnim materialom lažje doseči večjo modulacijsko pasovno širino, nižjo polvalovno napetost in manjše izgube pri prenosu kot s InP in Si. Poleg tega je visoka linearnost elektrooptične modulacije tankoplastnih litijevih niobatnih materialov bistvena za vse aplikacije mikrovalovnih fotonov.
Kar zadeva optično usmerjanje, visokohitrostni elektrooptični odziv tankoslojnega litijevega niobatnega materiala omogoča optičnemu stikalu na osnovi LNOI visokohitrostno optično usmerjanje, poraba energije pa je tudi zelo nizka. Za tipično uporabo integrirane mikrovalovne fotonske tehnologije ima optično krmiljen čip za oblikovanje žarka sposobnost visokohitrostnega preklapljanja, da zadosti potrebam hitrega skeniranja žarka, značilnosti ultra nizke porabe energije pa so dobro prilagojene strogim zahtevam velikih faznih sistemov. Čeprav lahko optično stikalo na osnovi InP doseže tudi visokohitrostno optično preklapljanje poti, bo povzročilo velik šum, zlasti ko je večnivojsko optično stikalo kaskadno povezano, saj se bo koeficient šuma znatno poslabšal. Silicijev, SiO2 in silicijev nitridni materiali lahko optične poti preklapljajo le s termooptičnim učinkom ali učinkom disperzije nosilcev, kar ima slabosti v visoki porabi energije in počasni hitrosti preklapljanja. Ko je velikost faznega sistema velika, ne more izpolniti zahtev glede porabe energije.
Kar zadeva optično ojačanje,polprevodniški optični ojačevalnik (SOA) na osnovi InP je zrel za komercialno uporabo, vendar ima pomanjkljivosti visokega koeficienta šuma in nizke izhodne moči nasičenosti, kar ni ugodno za uporabo mikrovalovnih fotonov. Parametrični postopek ojačanja tankoslojnega litijevega niobatnega valovoda, ki temelji na periodični aktivaciji in inverziji, lahko doseže nizkošumno in visoko moč optičnega ojačanja na čipu, kar lahko dobro izpolnjuje zahteve integrirane tehnologije mikrovalovnih fotonov za optično ojačanje na čipu.
Kar zadeva zaznavanje svetlobe, ima tankoplastni litijev niobat dobre lastnosti prenosa svetlobe v pasu 1550 nm. Funkcije fotoelektrične pretvorbe ni mogoče doseči, zato je za mikrovalovne fotonske aplikacije treba za zadovoljitev potreb fotoelektrične pretvorbe na čipu uporabiti detekcijske enote InGaAs ali Ge-Si z varjenjem z zalednim nalaganjem ali epitaksialno rastjo na fotonskih integriranih čipih na osnovi LNOI. Kar zadeva sklopitev z optičnimi vlakni, ker je optično vlakno samo material SiO2, ima modalno polje valovoda SiO2 najvišjo stopnjo ujemanja z modalnim poljem optičnega vlakna, sklopitev pa je najprimernejša. Premer modalnega polja močno omejenega valovoda tankoplastnega 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 visok potencial integracije različnih materialov odvisen predvsem od polmera upogiba valovoda (na katerega vpliva omejitev polja valovodnega moda). Močno omejen valovod omogoča manjši polmer upogiba, kar je bolj ugodno za doseganje visoke integracije. Zato imajo tankoplastni litijev niobatni valovod potencial za doseganje visoke integracije. Zato videz tankoplastnega litijevega niobata omogoča, da litijev niobatni material resnično igra vlogo optičnega "silicija". Pri uporabi mikrovalovnih fotonov so prednosti tankoplastnega litijevega niobata bolj očitne.
Čas objave: 23. april 2024