Høj linearitetelektrooptisk 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 elektrooptiske modulator er nødvendig for at omdanne elektricitet til lys imikrobølge fotoniske systemer, og dette nøgletrin bestemmer normalt hele systemets ydeevne. Da konverteringen af radiofrekvenssignal til optisk domæne er en analog signalproces, og almindeligelektrooptiske modulatorerhar iboende ulinearitet, er der alvorlig signalforvrængning i konverteringsprocessen. For at opnå omtrentlig lineær modulation er modulatorens driftspunkt normalt fastgjort til det ortogonale biaspunkt, men det kan stadig ikke opfylde kravene til mikrobølgefotonlink for modulatorens linearitet. Elektrooptiske modulatorer med høj linearitet er presserende nødvendige.
Højhastighedsmodulation af brydningsindekset i siliciummaterialer opnås normalt ved hjælp af fribærerplasmadispersionseffekten (FCD). Både FCD-effekten og PN-forbindelsesmodulationen er ikke-lineære, hvilket gør siliciummodulatoren mindre lineær end lithiumniobatmodulatoren. Lithiumniobatmaterialer udviser fremragendeelektrooptisk modulationegenskaber på grund af deres Pucker-effekt. Samtidig har lithiumniobatmateriale fordelene ved stor båndbredde, gode modulationsegenskaber, lavt tab, nem integration og kompatibilitet med halvlederprocesser. Brugen af tyndfilmslithiumniobat til at fremstille højtydende elektrooptiske modulatorer er næsten uden "kort plade" sammenlignet med silicium, men opnår også høj linearitet. Tyndfilmslithiumniobat (LNOI) elektrooptisk modulator på isolator er blevet en lovende udviklingsretning. Med udviklingen af tyndfilmslithiumniobatmaterialeforberedelsesteknologi og bølgelederætsningsteknologi er den høje konverteringseffektivitet og højere integration af tyndfilmslithiumniobat elektrooptiske modulatorer blevet et felt inden for international akademia og industri.
Karakteristika for tyndfilmslithiumniobat
I USA har DAP AR planning foretaget følgende evaluering af lithiumniobatmaterialer: Hvis centrum for den elektroniske revolution er opkaldt efter det siliciummateriale, der gør den mulig, så er det sandsynligt, at fødestedet for den fotoniske revolution vil blive opkaldt efter lithiumniobat. Dette skyldes, at lithiumniobat integrerer elektrooptisk effekt, akustooptisk effekt, piezoelektrisk effekt, termoelektrisk effekt og fotorefraktiv effekt i ét, ligesom siliciummaterialer inden for optik.
Med hensyn til optiske transmissionsegenskaber har InP-materiale det største transmissionstab på chippen på grund af lysabsorption i det almindeligt anvendte 1550 nm-bånd. SiO2 og siliciumnitrid har de bedste transmissionsegenskaber, og tabet kan nå et niveau på ~ 0,01 dB/cm². I øjeblikket kan bølgeledertabet for tyndfilms-lithiumniobat-bølgeledere nå et niveau på 0,03 dB/cm², og tabet for tyndfilms-lithiumniobat-bølgeledere har potentiale til at blive yderligere reduceret med den løbende forbedring af det teknologiske niveau i fremtiden. Derfor vil tyndfilms-lithiumniobatmaterialet vise god ydeevne til passive lysstrukturer såsom fotosyntetiske bane, shunt og mikroringe.
Med hensyn til lysgenerering er det kun InP, der har evnen til at udsende lys direkte. Derfor er det, til anvendelse af mikrobølgefotoner, nødvendigt at introducere den InP-baserede lyskilde på den LNOI-baserede fotoniske integrerede chip ved hjælp af bagbelastningssvejsning eller epitaksial vækst. Med hensyn til lysmodulation er det blevet understreget ovenfor, at tyndfilms-lithiumniobatmateriale lettere opnår større modulationsbåndbredde, lavere halvbølgespænding og lavere transmissionstab end InP og Si. Desuden er den høje linearitet af elektrooptisk modulering af tyndfilms-lithiumniobatmaterialer afgørende for alle mikrobølgefotonapplikationer.
Med hensyn til optisk routing gør den højhastigheds elektrooptiske respons fra tyndfilms-lithiumniobatmateriale den LNOI-baserede optiske switch i stand til højhastigheds optisk routing-switching, og strømforbruget for sådan højhastigheds-switching er også meget lavt. Til den typiske anvendelse af integreret mikrobølgefotonteknologi har den optisk styrede stråleformningschip evnen til højhastigheds-switching for at opfylde behovene for hurtig strålescanning, og egenskaberne ved ultra-lavt strømforbrug er godt tilpasset de strenge krav i store fasede array-systemer. Selvom den InP-baserede optiske switch også kan realisere højhastigheds optisk sti-switching, vil den introducere stor støj, især når den flerniveauoptiske switch er kaskaderet, vil støjkoefficienten blive alvorligt forringet. Silicium-, SiO2- og siliciumnitridmaterialer kan kun skifte optiske stier gennem den termooptiske effekt eller bærerdispersionseffekt, hvilket har ulemperne ved højt strømforbrug og langsom switchhastighed. Når arraystørrelsen på det fasede array er stor, kan det ikke opfylde kravene til strømforbrug.
Med hensyn til optisk forstærkning,halvleder optisk forstærker (SOA) baseret på InP er blevet modent til kommerciel brug, men det har ulemperne ved høj støjkoefficient og lav mætningsudgangseffekt, hvilket ikke er befordrende for anvendelsen af mikrobølgefotoner. Den parametriske forstærkningsproces for tyndfilms-lithiumniobatbølgeleder baseret på periodisk aktivering og inversion kan opnå lav støj og høj effekt optisk forstærkning på chippen, hvilket godt kan opfylde kravene til integreret mikrobølgefotonteknologi til optisk forstærkning på chippen.
Med hensyn til lysdetektering har tyndfilmslithiumniobat gode transmissionsegenskaber til lys i 1550 nm-båndet. Funktionen fotoelektrisk konvertering kan ikke realiseres, så for mikrobølgefotonapplikationer skal InGaAs- eller Ge-Si-detektionsenheder introduceres på LNOI-baserede fotoniske integrerede chips ved hjælp af bagbelastningssvejsning eller epitaksial vækst for at imødekomme behovene for fotoelektrisk konvertering på chippen. Med hensyn til kobling med optisk fiber, fordi selve den optiske fiber er SiO2-materiale, har modefeltet for SiO2-bølgelederen den højeste matchningsgrad med modefeltet for den optiske fiber, og koblingen er den mest bekvemme. Modefeltets diameter for den stærkt begrænsede bølgeleder af tyndfilmslithiumniobat er omkring 1 μm, hvilket er ret forskelligt fra modefeltet for optisk fiber, så korrekt modepunktstransformation skal udføres for at matche modefeltet for den optiske fiber.
Med hensyn til integration afhænger det primært af bølgelederens bøjningsradius (påvirket af begrænsningen af bølgelederens tilstandsfelt), hvorvidt forskellige materialer har et højt integrationspotentiale. Den stærkt begrænsede bølgeleder tillader en mindre bøjningsradius, hvilket er mere befordrende for realiseringen af høj integration. Derfor har tyndfilms-lithiumniobatbølgeledere potentiale til at opnå høj integration. Derfor gør fremkomsten af tyndfilms-lithiumniobat det muligt for lithiumniobatmaterialet virkelig at spille rollen som optisk "silicium". Til anvendelse af mikrobølgefotoner er fordelene ved tyndfilms-lithiumniobat mere åbenlyse.
Opslagstidspunkt: 23. april 2024