Højere integreret tyndfilm lithium niobat elektro-optisk modulator

Høj linearitetelektro-optisk modulatorog mikrobølgefotonapplikation
Med de stigende krav til kommunikationssystemer, for yderligere at forbedre transmissionseffektiviteten af ​​signaler, vil folk fusionere fotoner og elektroner for at opnå komplementære fordele, og mikrobølgefotonik vil blive født. Den elektro-optiske modulator er nødvendig til konvertering af elektricitet til lys imikrobølge fotoniske systemer, og dette nøgletrin bestemmer normalt hele systemets ydeevne. Da konvertering af radiofrekvenssignal til optisk domæne er en analog signalproces, og almindeligelektro-optiske modulatorerhar iboende ikke-linearitet, er der alvorlig signalforvrængning i konverteringsprocessen. For at opnå tilnærmet lineær modulering er modulatorens driftspunkt normalt fastgjort til det ortogonale forspændingspunkt, men det kan stadig ikke opfylde kravene til mikrobølgefotonforbindelse for modulatorens linearitet. Der er et presserende behov for elektrooptiske modulatorer med høj linearitet.

High-speed refractive index modulering af siliciummaterialer opnås sædvanligvis af fri carrier plasma dispersion (FCD) effekt. Både FCD-effekten og PN-junction-modulationen er ikke-lineære, hvilket gør siliciummodulatoren mindre lineær end lithiumniobatmodulatoren. Lithiumniobatmaterialer udviser fremragendeelektro-optisk modulationegenskaber på grund af deres Pucker-effekt. Samtidig har lithiumniobatmateriale fordelene ved stor båndbredde, gode modulationsegenskaber, lavt tab, nem integration og kompatibilitet med halvlederprocessen, brugen af ​​tyndfilm lithiumniobat til at lave højtydende elektro-optisk modulator sammenlignet med silicium næsten ingen "kortplade", men også for at opnå høj linearitet. Tyndfilm lithiumniobat (LNOI) elektro-optisk modulator på isolator er blevet en lovende udviklingsretning. Med udviklingen af ​​tyndfilm lithium niobat materiale forberedelsesteknologi og bølgelederætsningsteknologi er den høje konverteringseffektivitet og højere integration af tyndfilm lithium niobat elektro-optisk modulator blevet området for international akademi og industri.

Karakteristika for tyndfilm lithiumniobat
I USA har DAP AR-planlægning foretaget følgende evaluering af lithiumniobatmaterialer: hvis centrum af den elektroniske revolution er opkaldt efter det siliciummateriale, der gør det muligt, så er fødestedet for fotonikrevolutionen sandsynligvis opkaldt efter lithiumniobat . Dette skyldes, at lithiumniobat integrerer elektro-optisk effekt, akusto-optisk effekt, piezoelektrisk effekt, termoelektrisk effekt og fotorefraktiv effekt i én, ligesom siliciummaterialer inden for optik.

Med hensyn til optiske transmissionskarakteristika har InP-materiale det største transmissionstab på chip på grund af absorptionen af ​​lys i det almindeligt anvendte 1550nm-bånd. SiO2 og siliciumnitrid har de bedste transmissionsegenskaber, og tabet kan nå niveauet på ~ 0,01dB/cm; På nuværende tidspunkt kan bølgeledertabet af tyndfilmlithiumniobatbølgeleder nå niveauet 0,03dB/cm, og tabet af tyndfilmlithiumniobatbølgeleder har potentialet til at blive yderligere reduceret med den kontinuerlige forbedring af det teknologiske niveau i fremtid. Derfor vil tyndfilmslithiumniobatmaterialet vise god ydeevne for passive lysstrukturer såsom fotosyntetisk vej, shunt og mikroring.

Med hensyn til lysgenerering er det kun InP, der har mulighed for at udsende lys direkte; For anvendelsen af ​​mikrobølgefotoner er det derfor nødvendigt at introducere den InP-baserede lyskilde på den LNOI-baserede fotoniske integrerede chip ved hjælp af tilbagebelastningssvejsning eller epitaksial vækst. Med hensyn til lysmodulation er det blevet understreget ovenfor, at tyndfilm lithiumniobatmateriale er lettere at opnå større moduleringsbåndbredde, lavere halvbølgespænding og lavere transmissionstab end InP og Si. Desuden er den høje linearitet af elektro-optisk modulering af tyndfilmslithiumniobatmaterialer afgørende for alle mikrobølgefotonapplikationer.

Med hensyn til optisk routing gør den højhastigheds elektro-optiske respons af tyndfilmslithiumniobatmateriale den LNOI-baserede optiske switch i stand til højhastigheds optisk routing-omskiftning, og strømforbruget af sådan højhastigheds-omskiftning er også meget lavt. Til den typiske anvendelse af integreret mikrobølgefotonteknologi har den optisk styrede stråleformende chip evnen til højhastighedsskiftning for at imødekomme behovene for hurtig strålescanning, og egenskaberne ved ultralavt strømforbrug er godt tilpasset de strenge krav fra store -skala phased array system. Selvom den InP-baserede optiske switch også kan realisere højhastigheds-optisk vej-omskiftning, vil den introducere stor støj, især når den optiske multi-level switch er kaskadekoblet, vil støjkoefficienten blive alvorligt forringet. Silicium-, SiO2- og siliciumnitridmaterialer kan kun skifte optiske veje gennem den termo-optiske effekt eller bærerspredningseffekt, som har ulemperne ved højt strømforbrug og langsom omskiftningshastighed. Når arraystørrelsen af ​​det phased array er stor, kan den ikke opfylde kravene til strømforbrug.

Med hensyn til optisk forstærkning eroptisk halvlederforstærker (SOA) baseret på InP har været moden til kommerciel brug, men den har ulemperne med høj støjkoefficient og lav mætning udgangseffekt, hvilket ikke er befordrende for anvendelsen af ​​mikrobølgefotoner. Den parametriske forstærkningsproces af tyndfilm lithiumniobatbølgeleder baseret på periodisk aktivering og inversion kan opnå lav støj og høj effekt on-chip optisk forstærkning, som godt kan opfylde kravene til integreret mikrobølgefotonteknologi til on-chip optisk forstærkning.

Med hensyn til lysdetektion har tyndfilm-lithiumniobat gode transmissionsegenskaber til lys i 1550 nm-bånd. Funktionen af ​​fotoelektrisk konvertering kan ikke realiseres, så for mikrobølgefotonapplikationer, for at opfylde behovene for fotoelektrisk konvertering på chippen. InGaAs- eller Ge-Si-detektionsenheder skal introduceres på LNOI-baserede fotoniske integrerede chips ved tilbagebelastningssvejsning eller epitaksial vækst. Med hensyn til kobling med optisk fiber, fordi selve den optiske fiber er SiO2-materiale, har tilstandsfeltet for SiO2-bølgeleder den højeste matchningsgrad med tilstandsfeltet for optisk fiber, og koblingen er den mest bekvemme. Modefeltdiameteren af ​​den stærkt begrænsede bølgeleder af tyndfilmslithiumniobat er omkring 1μm, hvilket er ret forskelligt fra tilstandsfeltet for optisk fiber, så korrekt tilstandspunkttransformation skal udføres for at matche tilstandsfeltet for optisk fiber.

Med hensyn til integration afhænger om forskellige materialer har et højt integrationspotentiale hovedsageligt af bøjningsradius af bølgelederen (påvirket af begrænsningen af ​​bølgeledertilstandsfeltet). Den stærkt begrænsede bølgeleder tillader en mindre bøjningsradius, hvilket er mere befordrende for realiseringen af ​​høj integration. Derfor har tynd-film lithium niobat bølgeledere potentialet til at opnå høj integration. Derfor gør udseendet af tyndfilmslithiumniobat det muligt for lithiumniobatmateriale virkelig at spille rollen som optisk "silicium". For anvendelsen af ​​mikrobølgefotoner er fordelene ved tyndfilm lithiumniobat mere indlysende.