По-висок интегриран тънкослоен електрооптичен модулатор от литиев ниобат

Висока линейностелектрооптичен модулатори приложение на микровълнов фотон
С нарастващите изисквания на комуникационните системи, за да се подобри допълнително ефективността на предаване на сигнали, хората ще слеят фотони и електрони, за да постигнат допълнителни предимства, и ще се роди микровълнова фотоника. Електрооптичният модулатор е необходим за преобразуването на електричеството в светлинамикровълнови фотонни системии тази ключова стъпка обикновено определя производителността на цялата система. Тъй като преобразуването на радиочестотен сигнал в оптичен домейн е процес на аналогов сигнал и обикновенелектрооптични модулаториимат присъща нелинейност, има сериозно изкривяване на сигнала в процеса на преобразуване. За да се постигне приблизителна линейна модулация, работната точка на модулатора обикновено е фиксирана в точката на ортогонално отклонение, но тя все още не може да отговори на изискванията на микровълновата фотонна връзка за линейността на модулатора. Спешно са необходими електрооптични модулатори с висока линейност.

Високоскоростната модулация на индекса на пречупване на силициевите материали обикновено се постига чрез ефекта на плазмената дисперсия на свободния носител (FCD). И FCD ефектът, и модулацията на PN прехода са нелинейни, което прави силициевия модулатор по-малко линеен от модулатора на литиев ниобат. Материалите от литиев ниобат показват отлични резултатиелектрооптична модулациясвойства поради техния Pucker ефект. В същото време материалът от литиев ниобат има предимствата на широка честотна лента, добри модулационни характеристики, ниски загуби, лесна интеграция и съвместимост с полупроводников процес, използването на тънкослоен литиев ниобат за създаване на високоефективен електрооптичен модулатор в сравнение със силиций почти без „къса плоча“, но и за постигане на висока линейност. Тънкослойният електрооптичен модулатор на литиев ниобат (LNOI) върху изолатор се превърна в обещаваща посока на развитие. С развитието на технологията за подготовка на материали от тънък слой литиев ниобат и технологията за вълноводно ецване, високата ефективност на преобразуване и по-високата интеграция на тънкослойния електрооптичен модулатор от литиев ниобат се превърна в полето на международните академични среди и индустрията.

Характеристики на тънкослоен литиев ниобат
В Съединените щати DAP AR planning направи следната оценка на материалите от литиев ниобат: ако центърът на електронната революция е кръстен на силициевия материал, който я прави възможна, тогава родното място на фотонната революция вероятно ще бъде кръстено на литиевия ниобат . Това е така, защото литиевият ниобат интегрира електрооптичен ефект, акустооптичен ефект, пиезоелектричен ефект, термоелектричен ефект и фоторефрактивен ефект в едно, точно както силициевите материали в областта на оптиката.

По отношение на оптичните характеристики на предаване, InP материалът има най-голямата загуба на предаване върху чипа поради абсорбцията на светлина в често използваната лента от 1550 nm. SiO2 и силициевият нитрид имат най-добри характеристики на предаване и загубата може да достигне ниво от ~ 0,01dB/cm; Понастоящем загубата на вълновод на вълновод с тънък слой литиев ниобат може да достигне ниво от 0,03dB/cm, а загубата на вълновод с тънък слой литиев ниобат има потенциал да бъде допълнително намалена с непрекъснатото подобряване на технологичното ниво в бъдеще. Следователно тънкослойният материал от литиев ниобат ще покаже добра производителност за пасивни светлинни структури като фотосинтетичен път, шунт и микропръстен.

По отношение на генерирането на светлина, само InP има способността да излъчва светлина директно; Следователно, за прилагането на микровълнови фотони, е необходимо да се въведе източник на светлина, базиран на InP, върху фотонен интегриран чип, базиран на LNOI, чрез заваряване с обратно натоварване или епитаксиален растеж. По отношение на модулацията на светлината, беше подчертано по-горе, че тънкослойният материал от литиев ниобат е по-лесен за постигане на по-голяма честотна лента на модулация, по-ниско полувълново напрежение и по-ниски загуби при предаване от InP и Si. Освен това високата линейност на електрооптичната модулация на тънкослойни литиево-ниобатни материали е от съществено значение за всички приложения на микровълнови фотони.

По отношение на оптичното маршрутизиране, високоскоростният електрооптичен отговор на тънкослойния литиев ниобатен материал прави оптичния превключвател, базиран на LNOI, способен да превключва с високоскоростно оптично маршрутизиране, а консумацията на енергия при такова високоскоростно превключване също е много ниска. За типичното приложение на интегрирана микровълнова фотонна технология, оптично контролираният чип за формиране на лъч има способността за високоскоростно превключване, за да отговори на нуждите от бързо сканиране на лъча, а характеристиките на ултраниска консумация на енергия са добре адаптирани към строгите изисквания на големи система с фазова решетка. Въпреки че базираният на InP оптичен превключвател може също така да реализира високоскоростно превключване на оптичен път, той ще внесе голям шум, особено когато многостепенният оптичен превключвател е каскаден, коефициентът на шум ще бъде сериозно влошен. Материалите от силиций, SiO2 и силициев нитрид могат да превключват оптичните пътища само чрез термооптичния ефект или ефекта на дисперсия на носителя, който има недостатъците на висока консумация на енергия и бавна скорост на превключване. Когато размерът на масива на фазираната решетка е голям, той не може да отговори на изискванията за консумация на енергия.

По отношение на оптичното усилване,полупроводников оптичен усилвател (SOA), базиран на InP, е зрял за търговска употреба, но има недостатъците на висок коефициент на шум и ниска изходна мощност на насищане, което не е благоприятно за прилагането на микровълнови фотони. Процесът на параметрично усилване на тънкослоен вълновод от литиев ниобат, базиран на периодично активиране и инверсия, може да постигне оптично усилване на чип с нисък шум и висока мощност, което може добре да отговори на изискванията на интегрирана микровълнова фотонна технология за оптично усилване на чип.

По отношение на откриването на светлина, тънкослойният литиев ниобат има добри характеристики на предаване на светлина в лента от 1550 nm. Функцията на фотоелектрично преобразуване не може да бъде реализирана, така че за микровълнови фотонни приложения, за да се отговори на нуждите от фотоелектрично преобразуване на чипа. Единиците за откриване на InGaAs или Ge-Si трябва да бъдат въведени на базирани на LNOI фотонни интегрирани чипове чрез заваряване с обратно натоварване или епитаксиален растеж. По отношение на свързването с оптичното влакно, тъй като самото оптично влакно е SiO2 материал, модовото поле на SiO2 вълновода има най-висока степен на съвпадение с модовото поле на оптичното влакно и свързването е най-удобно. Диаметърът на модовото поле на силно ограничения вълновод от тънкослоен литиев ниобат е около 1 μm, което е доста различно от модовото поле на оптичното влакно, така че трябва да се извърши подходяща точкова трансформация на мода, за да съответства на модовото поле на оптичното влакно.

По отношение на интеграцията, дали различните материали имат висок потенциал за интеграция зависи главно от радиуса на огъване на вълновода (засегнат от ограничението на полето на вълноводния режим). Силно ограниченият вълновод позволява по-малък радиус на огъване, което е по-благоприятно за реализирането на висока интеграция. Следователно тънкослойните вълноводи от литиев ниобат имат потенциала да постигнат висока интеграция. Следователно появата на тънкослоен литиев ниобат прави възможно литиевият ниобат наистина да играе ролята на оптичен „силиций“. За прилагането на микровълнови фотони, предимствата на тънкослойния литиев ниобат са по-очевидни.