Høyere integrert tynnfilm litiumniobat elektro-optisk modulator

Høy linearitetelektro-optisk modulatorog mikrobølgefotonapplikasjon
Med de økende kravene til kommunikasjonssystemer, for ytterligere å forbedre overføringseffektiviteten til signaler, vil folk smelte sammen fotoner og elektroner for å oppnå komplementære fordeler, og mikrobølgefotonikk vil bli født. Den elektro-optiske modulatoren er nødvendig for konvertering av elektrisitet til lys innmikrobølge fotoniske systemer, og dette nøkkeltrinnet bestemmer vanligvis ytelsen til hele systemet. Siden konvertering av radiofrekvenssignal til optisk domene er en analog signalprosess, og vanligelektro-optiske modulatorerhar iboende ikke-linearitet, er det alvorlig signalforvrengning i konverteringsprosessen. For å oppnå tilnærmet lineær modulasjon, er driftspunktet til modulatoren vanligvis festet til det ortogonale forspenningspunktet, men det kan fortsatt ikke oppfylle kravene til mikrobølgefotonkobling for lineariteten til modulatoren. Elektrooptiske modulatorer med høy linearitet er et presserende behov.

Høyhastighets brytningsindeksmodulering av silisiummaterialer oppnås vanligvis av fribærerplasmadispersjonseffekten (FCD). Både FCD-effekten og PN-kryssmodulasjonen er ikke-lineære, noe som gjør silisiummodulatoren mindre lineær enn litiumniobatmodulatoren. Litiumniobatmaterialer viser utmerketelektro-optisk modulasjonegenskaper på grunn av deres Pucker-effekt. Samtidig har litiumniobatmateriale fordelene med stor båndbredde, gode modulasjonsegenskaper, lavt tap, enkel integrasjon og kompatibilitet med halvlederprosess, bruk av tynnfilmlitiumniobat for å lage høyytelses elektro-optisk modulator sammenlignet med silisium nesten ingen "short plate", men også for å oppnå høy linearitet. Tynnfilm litiumniobat (LNOI) elektro-optisk modulator på isolator har blitt en lovende utviklingsretning. Med utviklingen av tynnfilmlitiumniobatmaterialprepareringsteknologi og bølgelederetsingsteknologi, har den høye konverteringseffektiviteten og høyere integrasjonen av tynnfilmlitiumniobat-elektrooptisk modulator blitt feltet for internasjonal akademia og industri.

Kjennetegn på tynnfilm litiumniobat
I USA har DAP AR-planlegging foretatt følgende evaluering av litiumniobatmaterialer: hvis sentrum av den elektroniske revolusjonen er oppkalt etter silisiummaterialet som gjør det mulig, vil trolig fødestedet til fotonikrevolusjonen bli oppkalt etter litiumniobat . Dette er fordi litiumniobat integrerer elektrooptisk effekt, akusto-optisk effekt, piezoelektrisk effekt, termoelektrisk effekt og fotobrytende effekt i ett, akkurat som silisiummaterialer innen optikk.

Når det gjelder optiske overføringsegenskaper, har InP-materiale det største overføringstapet på brikken på grunn av absorpsjon av lys i det ofte brukte 1550nm-båndet. SiO2 og silisiumnitrid har de beste overføringsegenskapene, og tapet kan nå nivået på ~ 0,01dB/cm; For tiden kan bølgeledertapet av tynnfilm litiumniobatbølgeleder nå nivået 0,03dB/cm, og tapet av tynnfilm litiumniobatbølgeleder har potensial til å reduseres ytterligere med kontinuerlig forbedring av det teknologiske nivået i framtid. Derfor vil tynnfilmlitiumniobatmaterialet vise god ytelse for passive lysstrukturer som fotosyntetisk bane, shunt og mikroring.

Når det gjelder lysgenerering, er det kun InP som har muligheten til å sende ut lys direkte; Derfor, for påføring av mikrobølgefotoner, er det nødvendig å introdusere den InP-baserte lyskilden på den LNOI-baserte fotoniske integrerte brikken ved hjelp av tilbakelastende sveising eller epitaksial vekst. Når det gjelder lysmodulasjon, har det blitt understreket ovenfor at tynnfilm litiumniobatmateriale er lettere å oppnå større modulasjonsbåndbredde, lavere halvbølgespenning og lavere overføringstap enn InP og Si. Dessuten er den høye lineariteten til elektro-optisk modulering av tynnfilmslitiumniobatmaterialer avgjørende for alle mikrobølgefotonapplikasjoner.

Når det gjelder optisk ruting, gjør den høyhastighets elektrooptiske responsen til tynnfilmlitiumniobatmateriale den LNOI-baserte optiske bryteren i stand til høyhastighets optisk rutingsvitsjing, og strømforbruket til slik høyhastighetssvitsjing er også svært lavt. For den typiske anvendelsen av integrert mikrobølgefotonteknologi, har den optisk kontrollerte stråleformende brikken evnen til høyhastighetssvitsjing for å møte behovene til rask stråleskanning, og egenskapene til ultralavt strømforbruk er godt tilpasset de strenge kravene til store -skala faset array system. Selv om den InP-baserte optiske bryteren også kan realisere høyhastighets optisk banesvitsjing, vil den introdusere stor støy, spesielt når den optiske flernivåsvitsjen er kaskade, vil støykoeffisienten bli alvorlig forringet. Silisium-, SiO2- og silisiumnitridmaterialer kan bare bytte optiske veier gjennom den termoptiske effekten eller bærerspredningseffekten, som har ulempene med høyt strømforbruk og lav svitsjhastighet. Når matrisestørrelsen til den fasede matrisen er stor, kan den ikke oppfylle kravene til strømforbruk.

Når det gjelder optisk forsterkning, eroptisk halvlederforsterker (SOA) basert på InP har vært moden for kommersiell bruk, men den har ulempene med høy støykoeffisient og lav metningsutgangseffekt, noe som ikke bidrar til bruk av mikrobølgefotoner. Den parametriske forsterkningsprosessen til tynnfilm litiumniobatbølgeleder basert på periodisk aktivering og inversjon kan oppnå lav støy og høy effekt on-chip optisk forsterkning, som godt kan oppfylle kravene til integrert mikrobølgefotonteknologi for optisk forsterkning på brikken.

Når det gjelder lysdeteksjon, har tynnfilmlitiumniobatet gode transmisjonsegenskaper til lys i 1550 nm-bånd. Funksjonen til fotoelektrisk konvertering kan ikke realiseres, så for mikrobølgefotonapplikasjoner, for å møte behovene til fotoelektrisk konvertering på brikken. InGaAs- eller Ge-Si-deteksjonsenheter må introduseres på LNOI-baserte fotoniske integrerte brikker ved tilbakebelastning av sveising eller epitaksial vekst. Når det gjelder kobling med optisk fiber, fordi den optiske fiberen i seg selv er SiO2-materiale, har modusfeltet til SiO2-bølgeleder den høyeste samsvarsgraden med modusfeltet til optisk fiber, og koblingen er den mest praktiske. Modusfeltdiameteren til den sterkt begrensede bølgelederen av tynnfilmlitiumniobat er omtrent 1μm, 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, om ulike materialer har et høyt integreringspotensial avhenger hovedsakelig av bøyeradiusen til bølgelederen (påvirket av begrensningen av bølgeledermodusfeltet). Den sterkt begrensede bølgelederen tillater en mindre bøyeradius, noe som er mer gunstig for realisering av høy integrasjon. Derfor har tynnfilm litiumniobatbølgeledere potensial til å oppnå høy integrasjon. Derfor gjør utseendet til tynnfilmlitiumniobat det mulig for litiumniobatmateriale å virkelig spille rollen som optisk "silisium". For påføring av mikrobølgefotoner er fordelene med tynnfilmlitiumniobat mer åpenbare.