Høyere integrert tynnfilm litiumniobat elektrooptisk modulator

Høy linearitetelektrooptisk modulatorog mikrobølgefotonapplikasjon
Med de økende kravene til kommunikasjonssystemer, for å forbedre overføringseffektiviteten til signaler ytterligere, vil folk fusjonere fotoner og elektroner for å oppnå komplementære fordeler, og mikrobølgefotonikk vil bli født. Den elektrooptiske modulatoren er nødvendig for å konvertere elektrisitet til lys imikrobølge fotoniske systemer, og dette viktige trinnet bestemmer vanligvis ytelsen til hele systemet. Siden konverteringen av radiofrekvenssignal til optisk domene er en analog signalprosess, og vanligelektrooptiske modulatorerhar iboende ikke-linearitet, er det alvorlig signalforvrengning i konverteringsprosessen. For å oppnå tilnærmet lineær modulering er modulatorens driftspunkt vanligvis fast på det ortogonale forspenningspunktet, men det kan fortsatt ikke oppfylle kravene til mikrobølgefotonlink for modulatorens linearitet. Elektrooptiske modulatorer med høy linearitet er et presserende behov.

Høyhastighets brytningsindeksmodulering av silisiummaterialer oppnås vanligvis ved hjelp av fribærerplasmadispersjonseffekten (FCD). Både FCD-effekten og PN-overgangsmodulasjonen er ikke-lineære, noe som gjør silisiummodulatoren mindre lineær enn litiumniobatmodulatoren. Litiumniobatmaterialer viser utmerketelektrooptisk moduleringegenskaper på grunn av Pucker-effekten. Samtidig har litiumniobatmateriale fordelene med stor båndbredde, gode modulasjonsegenskaper, lavt tap, enkel integrering og kompatibilitet med halvlederprosesser, og bruken av tynnfilmslitiumniobat for å lage høyytelses elektrooptiske modulatorer, sammenlignet med silisium nesten uten "kortplate", men også for å oppnå høy linearitet. Tynnfilmslitiumniobat (LNOI) elektrooptisk modulator på isolator har blitt en lovende utviklingsretning. Med utviklingen av tynnfilmslitiumniobatmaterialeforberedelsesteknologi og bølgelederetsningsteknologi har høy konverteringseffektivitet og høyere integrering av tynnfilmslitiumniobat elektrooptisk modulator blitt et felt for internasjonal akademia og industri.

Kjennetegn ved tynnfilmlitiumniobat
I USA har DAP AR-planleggingen gjort følgende evaluering av litiumniobatmaterialer: Hvis sentrum for den elektroniske revolusjonen er oppkalt etter silisiummaterialet som gjør den mulig, er det sannsynlig at fødestedet for den fotoniske revolusjonen vil bli oppkalt etter litiumniobat. Dette er fordi litiumniobat integrerer elektrooptisk effekt, akustooptisk effekt, piezoelektrisk effekt, termoelektrisk effekt og fotorefraktiv effekt i ett, akkurat som silisiummaterialer innen optikk.

Når det gjelder optiske transmisjonsegenskaper, har InP-materialet det største transmisjonstapet på brikken på grunn av lysabsorpsjon i det vanlige 1550 nm-båndet. SiO2 og silisiumnitrid har de beste transmisjonsegenskapene, og tapet kan nå et nivå på ~ 0,01 dB/cm². For tiden kan bølgeledertapet for tynnfilm-litiumniobat-bølgeledere nå et nivå på 0,03 dB/cm², og tapet for tynnfilm-litiumniobat-bølgeledere har potensial til å bli ytterligere redusert med kontinuerlig forbedring av det teknologiske nivået i fremtiden. Derfor vil tynnfilm-litiumniobatmaterialet vise god ytelse for passive lysstrukturer som fotosyntetiske bane, shunt og mikroringer.

Når det gjelder lysgenerering, er det bare InP som har evnen til å sende ut lys direkte. Derfor er det for bruk av mikrobølgefotoner nødvendig å introdusere den InP-baserte lyskilden på den LNOI-baserte fotoniske integrerte brikken ved hjelp av bakbelastningssveising eller epitaksial vekst. Når det gjelder lysmodulering, har det blitt understreket ovenfor at tynnfilmslitiumniobatmateriale har lettere for å oppnå større modulasjonsbåndbredde, lavere halvbølgespenning og lavere transmisjonstap enn InP og Si. Dessuten er den høye lineariteten til elektrooptisk modulering av tynnfilmslitiumniobatmaterialer avgjørende for alle mikrobølgefotonapplikasjoner.

Når det gjelder optisk ruting, gjør den høyhastighets elektrooptiske responsen til tynnfilms litiumniobatmateriale den LNOI-baserte optiske bryteren i stand til høyhastighets optisk ruting, og strømforbruket til slik høyhastighetssvitsjing er også svært lavt. For typisk bruk av integrert mikrobølgefotonteknologi har den optisk kontrollerte stråleformingsbrikken evnen til høyhastighetssvitsjing for å møte behovene til rask stråleskanning, og egenskapene til ultralavt strømforbruk er godt tilpasset de strenge kravene til storskala fasede array-systemer. Selv om den InP-baserte optiske bryteren også kan realisere høyhastighets optisk banebytte, vil den introdusere mye støy, spesielt når den flernivåoptiske bryteren er kaskadert, vil støykoeffisienten bli betydelig forverret. Silisium-, SiO2- og silisiumnitridmaterialer kan bare bytte optiske baner gjennom den termooptiske effekten eller bærerdispersjonseffekten, som har ulempene med høyt strømforbruk og lav byttehastighet. Når arraystørrelsen til den fasede arrayen er stor, kan den ikke oppfylle kravene til strømforbruk.

Når det gjelder optisk forsterkning,halvleder optisk forsterker (SOA) basert på InP har vært moden for kommersiell bruk, men den har ulempene med høy støykoeffisient og lav metningsutgangseffekt, noe som ikke er gunstig for bruk av mikrobølgefotoner. Den parametriske forsterkningsprosessen til tynnfilmslitiumniobatbølgeleder basert på periodisk aktivering og inversjon kan oppnå lav støy og høy effekt optisk forsterkning på brikken, som godt kan oppfylle kravene til integrert mikrobølgefotonteknologi for optisk forsterkning på brikken.

Når det gjelder lysdeteksjon, har tynnfilm-litiumniobat gode transmisjonsegenskaper til lys i 1550 nm-båndet. Funksjonen til fotoelektrisk konvertering kan ikke realiseres, så for mikrobølgefotonapplikasjoner, for å møte behovene for fotoelektrisk konvertering på brikken, må InGaAs- eller Ge-Si-deteksjonsenheter introduseres på LNOI-baserte fotoniske integrerte brikker ved hjelp av bakbelastningssveising eller epitaksial vekst. Når det gjelder kobling med optisk fiber, fordi selve den optiske fiberen er SiO2-materiale, har modusfeltet til SiO2-bølgelederen den høyeste samsvarsgraden med modusfeltet til optisk fiber, og koblingen er den mest praktiske. Modusfeltdiameteren til den sterkt begrensede bølgelederen til tynnfilm-litiumniobat er omtrent 1 μm, noe som er ganske forskjellig fra modusfeltet til optisk fiber, så riktig moduspunkttransformasjon må utføres for å matche modusfeltet til optisk fiber.

Når det gjelder integrasjon, avhenger hvorvidt ulike materialer har et høyt integrasjonspotensial hovedsakelig av bøyeradiusen til bølgelederen (påvirket av begrensningen i bølgeledermodusfeltet). Den sterkt begrensede bølgelederen tillater en mindre bøyeradius, noe som er mer gunstig for realisering av høy integrasjon. Derfor har tynnfilm-litiumniobat-bølgeledere potensial til å oppnå høy integrasjon. Derfor gjør utseendet til tynnfilm-litiumniobat det mulig for litiumniobatmaterialet virkelig å spille rollen som optisk "silisium". For anvendelse av mikrobølgefotoner er fordelene med tynnfilm-litiumniobat mer åpenbare.