Visoka linearnostelektrooptički modulatori primjena mikrovalnog fotona
Uz sve veće zahtjeve komunikacijskih sustava, kako bi se dodatno poboljšala učinkovitost prijenosa signala, ljudi će spojiti fotone i elektrone kako bi postigli komplementarne prednosti, a mikrovalna fotonika će se roditi. Elektrooptički modulator je potreban za pretvaranje električne energije u svjetlostmikrovalni fotonski sustavi, a ovaj ključni korak obično određuje performanse cijelog sustava. Budući da je pretvorba radiofrekvencijskog signala u optičku domenu proces analognog signala, i to običanelektrooptički modulatoriimaju svojstvenu nelinearnost, postoji ozbiljno izobličenje signala u procesu pretvorbe. Kako bi se postigla približna linearna modulacija, radna točka modulatora obično je fiksirana na točku ortogonalnog prednapona, ali još uvijek ne može zadovoljiti zahtjeve mikrovalne fotonske veze za linearnost modulatora. Hitno su potrebni elektrooptički modulatori visoke linearnosti.
Brza modulacija indeksa loma silicijevih materijala obično se postiže efektom disperzije plazme slobodnog nosača (FCD). I FCD efekt i modulacija PN spoja su nelinearni, što čini silicijski modulator manje linearnim od litijevog niobatnog modulatora. Materijali litij niobat pokazuju izvrsne rezultateelektrooptička modulacijasvojstva zbog njihovog Pucker efekta. U isto vrijeme, materijal litij-niobat ima prednosti velike širine pojasa, dobrih modulacijskih karakteristika, niskih gubitaka, jednostavne integracije i kompatibilnosti s poluvodičkim procesom, upotrebe tankog filma litij-niobata za izradu elektro-optičkog modulatora visokih performansi, u usporedbi sa silicijem gotovo bez “kratke ploče”, ali i za postizanje visoke linearnosti. Elektrooptički modulator tankog filma litij niobat (LNOI) na izolatoru postao je obećavajući smjer razvoja. S razvojem tehnologije pripreme materijala tankog filma litij niobat i tehnologije jetkanja valovoda, visoka učinkovitost pretvorbe i veća integracija elektrooptičkog modulatora tankog filma litij niobata postali su polje međunarodne akademske zajednice i industrije.
Karakteristike tankog filma litijevog niobata
U Sjedinjenim Američkim Državama planiranje DAP AR napravilo je sljedeću procjenu materijala litij-niobat: ako je središte elektroničke revolucije nazvano po silikonskom materijalu koji je omogućuje, onda će rodno mjesto fotoničke revolucije vjerojatno biti nazvano po litij-niobatu . To je zato što litijev niobat integrira elektro-optički učinak, akusto-optički učinak, piezoelektrični učinak, termoelektrični učinak i fotorefraktivni učinak u jednom, baš kao i silicijski materijali u području optike.
Što se tiče karakteristika optičkog prijenosa, InP materijal ima najveći gubitak prijenosa na čipu zbog apsorpcije svjetlosti u uobičajeno korištenom pojasu od 1550 nm. SiO2 i silicijev nitrid imaju najbolje karakteristike prijenosa, a gubitak može doseći razinu od ~ 0,01dB/cm; Trenutačno, gubitak valovoda tankoslojnog litij-niobatnog valovoda može doseći razinu od 0,03 dB/cm, a gubitak tankoslojnog litij-niobatnog valovoda ima potencijal da se dodatno smanji kontinuiranim poboljšanjem tehnološke razine u budućnost. Stoga će tankoslojni materijal od litij-niobata pokazati dobre performanse za pasivne svjetlosne strukture kao što su fotosintetski put, shunt i mikroprsten.
Što se tiče stvaranja svjetlosti, samo InP ima sposobnost izravnog emitiranja svjetlosti; Stoga je za primjenu mikrovalnih fotona potrebno uvesti izvor svjetlosti temeljen na InP-u na fotonskom integriranom čipu temeljenom na LNOI-u putem povratnog zavarivanja ili epitaksijskog rasta. Što se tiče modulacije svjetlosti, gore je naglašeno da je tankoslojnim litijevim niobatnim materijalom lakše postići veću propusnost modulacije, niži poluvalni napon i manji gubitak prijenosa od InP i Si. Štoviše, visoka linearnost elektro-optičke modulacije tankoslojnih materijala litij niobat ključna je za sve primjene mikrovalnih fotona.
Što se tiče optičkog usmjeravanja, elektro-optički odziv velike brzine tankoslojnog litij-niobatnog materijala čini optički prekidač temeljen na LNOI sposobnim za brzo prespajanje optičkim usmjeravanjem, a potrošnja energije takvog brzog prespajanja također je vrlo niska. Za tipičnu primjenu integrirane mikrovalne fotonske tehnologije, optički kontrolirani čip za oblikovanje snopa ima mogućnost brzog prebacivanja kako bi zadovoljio potrebe brzog skeniranja snopa, a karakteristike ultra niske potrošnje energije dobro su prilagođene strogim zahtjevima velikih sustav s faznom rešetkom. Iako optički prekidač koji se temelji na InP-u također može ostvariti brzo prebacivanje optičkog puta, to će izazvati veliki šum, posebno kada je višerazinski optički prekidač kaskadno postavljen, koeficijent šuma će se ozbiljno pogoršati. Materijali od silicija, SiO2 i silicijevog nitrida mogu mijenjati optičke puteve samo kroz termooptički učinak ili učinak disperzije nosača, koji ima nedostatke velike potrošnje energije i male brzine prebacivanja. Kada je veličina niza faznog niza velika, ne može zadovoljiti zahtjeve potrošnje energije.
Što se tiče optičkog pojačanja,poluvodičko optičko pojačalo (SOA) temeljen na InP je zreo za komercijalnu upotrebu, ali ima nedostatke visokog koeficijenta šuma i niske izlazne snage zasićenja, što nije pogodno za primjenu mikrovalnih fotona. Proces parametarskog pojačanja tankoslojnog valovoda od litij-niobata koji se temelji na periodičnoj aktivaciji i inverziji može postići optičko pojačanje na čipu niske buke i velike snage, što može zadovoljiti zahtjeve integrirane mikrovalne fotonske tehnologije za optičko pojačanje na čipu.
Što se tiče detekcije svjetlosti, tanki film litij niobata ima dobre karakteristike prijenosa svjetlosti u pojasu od 1550 nm. Funkcija fotoelektrične pretvorbe ne može se realizirati, tako za mikrovalne fotonske aplikacije, kako bi se zadovoljile potrebe fotoelektrične pretvorbe na čipu. Jedinice za detekciju InGaAs ili Ge-Si potrebno je uvesti na fotoničke integrirane čipove temeljene na LNOI zavarivanjem ili epitaksijalnim rastom. Što se tiče spajanja s optičkim vlaknom, budući da je samo optičko vlakno SiO2 materijal, modno polje SiO2 valovoda ima najveći stupanj podudaranja s modnim poljem optičkog vlakna, a spajanje je najprikladnije. Promjer polja moda jako ograničenog valovoda tankog filma litijevog niobata je oko 1 μm, što se dosta razlikuje od polja moda optičkog vlakna, tako da se mora izvršiti odgovarajuća transformacija točke moda kako bi se uskladila s poljem moda optičkog vlakna.
U smislu integracije, hoće li različiti materijali imati visok integracijski potencijal ovisi uglavnom o radijusu savijanja valovoda (na koji utječe ograničenje polja moda valovoda). Snažno ograničeni valovod omogućuje manji radijus savijanja, što je pogodnije za postizanje visoke integracije. Stoga valovod s tankim slojem litijeva niobata ima potencijal za postizanje visoke integracije. Stoga pojava tankog filma litij-niobata omogućuje da materijal litij-niobata stvarno igra ulogu optičkog "silicija". Za primjenu mikrovalnih fotona, prednosti tankog filma litijevog niobata su očitije.
Vrijeme objave: 23. travnja 2024