Vysoká linearitaelektrooptický modulátora aplikace mikrovlnných fotonů
S rostoucími požadavky na komunikační systémy budou lidé za účelem dalšího zlepšení účinnosti přenosu signálů spojovat fotony a elektrony, aby dosáhli doplňkových výhod, a zrodí se mikrovlnná fotonika. Elektrooptický modulátor je potřebný pro přeměnu elektřiny na světlo v...mikrovlnné fotonické systémy, a tento klíčový krok obvykle určuje výkon celého systému. Protože převod radiofrekvenčního signálu do optické domény je proces analogového signálu a běžnéelektrooptické modulátorymají inherentní nelinearitu, dochází v procesu převodu k vážnému zkreslení signálu. Aby se dosáhlo přibližné lineární modulace, je pracovní bod modulátoru obvykle fixován v bodě ortogonálního předpětí, ale stále nemůže splňovat požadavky mikrovlnného fotonového spoje na linearitu modulátoru. Jsou naléhavě potřebné elektrooptické modulátory s vysokou linearitou.
Vysokorychlostní modulace indexu lomu křemíkových materiálů se obvykle dosahuje efektem disperze plazmatu s volnými nosiči náboje (FCD). Jak efekt FCD, tak modulace PN přechodu jsou nelineární, což činí křemíkový modulátor méně lineárním než modulátor z niobátu lithného. Materiály z niobátu lithného vykazují vynikajícíelektrooptická modulacevlastnosti díky jejich zvrásnění. Zároveň má materiál niobát lithný výhody velké šířky pásma, dobrých modulačních charakteristik, nízkých ztrát, snadné integrace a kompatibility s polovodičovými procesy. Použití tenkého filmu niobátu lithného k výrobě vysoce výkonného elektrooptického modulátoru ve srovnání s křemíkem téměř nemá „krátkou destičku“, ale také dosahuje vysoké linearity. Tenkovrstvý elektrooptický modulátor niobátu lithného (LNOI) na izolantu se stal slibným směrem vývoje. S rozvojem technologie přípravy materiálu z tenkého filmu niobátu lithného a technologie leptání vlnovodů se vysoká účinnost konverze a vyšší integrace elektrooptického modulátoru niobátu lithného stala oblastí zájmu mezinárodní akademické obce a průmyslu.
Charakteristiky tenkovrstvého niobátu lithného
Ve Spojených státech provedlo plánování DAP AR následující hodnocení materiálů na bázi niobátu lithného: pokud je centrum elektronické revoluce pojmenováno po křemíkovém materiálu, který ji umožňuje, pak je pravděpodobné, že rodiště fotonické revoluce bude pojmenováno po niobátu lithném. Je to proto, že niobát lithný v sobě spojuje elektrooptický jev, akustickooptický jev, piezoelektrický jev, termoelektrický jev a fotorefraktivní jev, stejně jako křemíkové materiály v oblasti optiky.
Pokud jde o charakteristiky optického přenosu, materiál InP má největší ztrátu přenosu na čipu v důsledku absorpce světla v běžně používaném pásmu 1550 nm. SiO2 a nitrid křemíku mají nejlepší charakteristiky přenosu a ztráta může dosáhnout úrovně ~ 0,01 dB/cm. V současné době může ztráta vlnovodu tenkovrstvého vlnovodu z niobátu lithia dosáhnout úrovně 0,03 dB/cm a ztráta tenkovrstvého vlnovodu z niobátu lithia se může v budoucnu s neustálým zlepšováním technologické úrovně dále snižovat. Proto tenkovrstvý materiál z niobátu lithia vykazuje dobrý výkon pro pasivní světelné struktury, jako jsou fotosyntetické dráhy, shunty a mikrokroužky.
Pokud jde o generování světla, pouze InP má schopnost emitovat světlo přímo; proto je pro aplikaci mikrovlnných fotonů nutné zavést světelný zdroj na bázi InP na fotonickém integrovaném čipu na bázi LNOI pomocí zpětného svařování nebo epitaxního růstu. Pokud jde o modulaci světla, bylo výše zdůrazněno, že tenkovrstvý materiál niobátu lithného je snazší dosáhnout větší modulační šířky pásma, nižšího půlvlnného napětí a nižších přenosových ztrát než InP a Si. Vysoká linearita elektrooptické modulace tenkovrstvých materiálů niobátu lithného je navíc nezbytná pro všechny aplikace mikrovlnných fotonů.
Pokud jde o optické směrování, vysokorychlostní elektrooptická odezva tenkovrstvého materiálu lithium-niobátu umožňuje optickému přepínači na bázi LNOI vysokorychlostní optické směrovací přepínání a spotřeba energie takového vysokorychlostního přepínání je také velmi nízká. Pro typické aplikace integrované mikrovlnné fotonové technologie má opticky řízený čip pro tvarování paprsku schopnost vysokorychlostního přepínání, aby splňoval potřeby rychlého skenování paprsku, a vlastnosti ultranízké spotřeby energie jsou dobře přizpůsobeny přísným požadavkům rozsáhlých fázovaných systémů. Ačkoli optický přepínač na bázi InP dokáže také realizovat vysokorychlostní přepínání optických cest, bude vnášet velký šum, zejména při kaskádování víceúrovňového optického přepínače, kdy se koeficient šumu výrazně zhorší. Materiály na bázi křemíku, SiO2 a nitridu křemíku mohou přepínat optické cesty pouze prostřednictvím termooptického efektu nebo efektu disperze nosičů, což má nevýhodu v podobě vysoké spotřeby energie a pomalé rychlosti přepínání. Pokud je velikost fázovaného pole velká, nemůže splňovat požadavky na spotřebu energie.
Pokud jde o optické zesílení,polovodičový optický zesilovač (SOA (Sustainability Architecture)) založená na InP je pro komerční využití vyzrálá, ale má nevýhody vysokého koeficientu šumu a nízkého výstupního výkonu saturace, což nevede k aplikaci mikrovlnných fotonů. Proces parametrického zesílení tenkovrstvého vlnovodu z lithium-niobátu založený na periodické aktivaci a inverzi může dosáhnout nízkého šumu a vysokého výkonu optického zesílení na čipu, což může dobře splňovat požadavky technologie integrovaných mikrovlnných fotonů pro optické zesílení na čipu.
Pokud jde o detekci světla, tenkovrstvý niobát lithný má dobré propustné vlastnosti pro světlo v pásmu 1550 nm. Funkci fotoelektrické konverze nelze realizovat, takže pro aplikace mikrovlnných fotonů je nutné, aby se splnily potřeby fotoelektrické konverze na čipu, zavést detekční jednotky InGaAs nebo Ge-Si na fotonické integrované čipy založené na LNOI pomocí zpětného svařování nebo epitaxního růstu. Pokud jde o propojení s optickým vláknem, protože samotné optické vlákno je materiál SiO2, má módové pole vlnovodu SiO2 nejvyšší stupeň shody s módovým polem optického vlákna a toto propojení je nejpohodlnější. Průměr módového pole silně omezeného vlnovodu tenkovrstvého niobátu lithného je asi 1 μm, což se značně liší od módového pole optického vlákna, takže je nutné provést správnou transformaci módového bodu, aby se shodovalo s módovým polem optického vlákna.
Z hlediska integrace závisí vysoký integrační potenciál různých materiálů hlavně na poloměru ohybu vlnovodu (ovlivněném omezením módového pole vlnovodu). Silně omezený vlnovod umožňuje menší poloměr ohybu, což je výhodnější pro dosažení vysoké integrace. Proto mají tenkovrstvé vlnovody z niobátu lithného potenciál dosáhnout vysoké integrace. Vzhled tenkovrstvého niobátu lithného proto umožňuje, aby materiál z niobátu lithného skutečně hrál roli optického „křemíku“. Pro aplikaci mikrovlnných fotonů jsou výhody tenkovrstvého niobátu lithného zřejmější.
Čas zveřejnění: 23. dubna 2024