Высокоинтегрированный тонкопленочный электрооптический модулятор из ниобата лития

Высокая линейностьэлектрооптический модулятори применение микроволновых фотонов
С ростом требований к системам связи, чтобы еще больше повысить эффективность передачи сигналов, люди будут объединять фотоны и электроны для достижения взаимодополняющих преимуществ, и появится микроволновая фотоника. Электрооптический модулятор необходим для преобразования электричества в свет вмикроволновые фотонные системы, и этот ключевой шаг обычно определяет производительность всей системы. Поскольку преобразование радиочастотного сигнала в оптический является процессом аналогового сигнала, и обычныйэлектрооптические модуляторыимеют присущую нелинейность, в процессе преобразования происходит серьезное искажение сигнала. Чтобы добиться приближенной линейной модуляции, рабочая точка модулятора обычно фиксируется в точке ортогонального смещения, но она по-прежнему не может удовлетворить требованиям микроволновой фотонной линии связи к линейности модулятора. Срочно необходимы электрооптические модуляторы с высокой линейностью.

Высокоскоростная модуляция показателя преломления кремниевых материалов обычно достигается за счет эффекта плазменной дисперсии свободных носителей заряда (FCD). Как эффект FCD, так и модуляция PN-перехода являются нелинейными, что делает кремниевый модулятор менее линейным, чем модулятор из ниобата лития. Материалы из ниобата лития демонстрируют превосходныеэлектрооптическая модуляциясвойства благодаря эффекту Пакера. В то же время материал ниобата лития имеет такие преимущества, как большая полоса пропускания, хорошие характеристики модуляции, низкие потери, простота интеграции и совместимость с полупроводниковым процессом, использование тонкопленочного ниобата лития для изготовления высокопроизводительного электрооптического модулятора по сравнению с кремнием. почти нет «коротких пластинок», но и добиться высокой линейности. Тонкопленочный электрооптический модулятор на изоляторе из ниобата лития (LNOI) стал перспективным направлением развития. С развитием технологии подготовки тонкопленочных материалов из ниобата лития и технологии травления волноводов высокая эффективность преобразования и более высокая интеграция тонкопленочного электрооптического модулятора из ниобата лития стали областью международной науки и промышленности.

Характеристики тонкопленочного ниобата лития
В США при планировании DAP AR была проведена следующая оценка материалов на основе ниобата лития: если центр электронной революции назван в честь кремниевого материала, который делает это возможным, то место рождения фотонной революции, вероятно, будет названо в честь ниобата лития. . Это связано с тем, что ниобат лития объединяет электрооптический эффект, акустооптический эффект, пьезоэлектрический эффект, термоэлектрический эффект и фоторефрактивный эффект в одном, точно так же, как кремниевые материалы в области оптики.

Что касается характеристик оптической передачи, материал InP имеет самые большие потери при передаче внутри кристалла из-за поглощения света в обычно используемом диапазоне 1550 нм. Наилучшие характеристики передачи имеют SiO2 и нитрид кремния, а потери могут достигать уровня ~0,01дБ/см; В настоящее время потери в тонкопленочном волноводе из ниобата лития могут достигать уровня 0,03 дБ/см, а потери в тонкопленочном волноводе из ниобата лития могут быть дополнительно снижены за счет постоянного улучшения технологического уровня в будущее. Таким образом, тонкопленочный материал из ниобата лития покажет хорошие характеристики для пассивных световых структур, таких как фотосинтетический путь, шунт и микрокольцо.

Что касается генерации света, только InP способен излучать свет напрямую; Поэтому для применения микроволновых фотонов необходимо внедрить источник света на основе InP в фотонный интегральный чип на основе LNOI путем обратной сварки или эпитаксиального выращивания. Что касается модуляции света, выше было подчеркнуто, что в тонкопленочном материале ниобата лития легче достичь большей полосы пропускания модуляции, более низкого полуволнового напряжения и меньших потерь передачи, чем InP и Si. Более того, высокая линейность электрооптической модуляции тонкопленочных материалов из ниобата лития важна для всех применений микроволновых фотонов.

Что касается оптической маршрутизации, высокоскоростной электрооптический отклик тонкопленочного материала ниобата лития делает оптический переключатель на основе LNOI способным к высокоскоростному переключению оптической маршрутизации, а энергопотребление при таком высокоскоростном переключении также очень низкое. Для типичного применения интегрированной технологии микроволновых фотонов чип формирования луча с оптическим управлением имеет возможность высокоскоростного переключения для удовлетворения потребностей быстрого сканирования луча, а характеристики сверхнизкого энергопотребления хорошо адаптированы к строгим требованиям больших -масштабная система фазированных решеток. Хотя оптический переключатель на основе InP также может реализовать высокоскоростное переключение оптического пути, он будет создавать большой шум, особенно когда многоуровневый оптический переключатель подключен каскадно, коэффициент шума будет серьезно ухудшаться. Материалы из кремния, SiO2 и нитрида кремния могут переключать оптические пути только за счет термооптического эффекта или эффекта дисперсии носителей, недостатки которого заключаются в высоком энергопотреблении и низкой скорости переключения. Когда размер фазированной решетки велик, она не может удовлетворить требования энергопотребления.

Что касается оптического усиления,полупроводниковый оптический усилитель (СОА) на основе InP созрел для коммерческого использования, но имеет такие недостатки, как высокий коэффициент шума и низкая выходная мощность насыщения, что не способствует применению микроволновых фотонов. Процесс параметрического усиления тонкопленочного волновода из ниобата лития, основанный на периодической активации и инверсии, позволяет достичь низкого уровня шума и высокой мощности внутрикристального оптического усиления, что может хорошо соответствовать требованиям интегрированной технологии микроволновых фотонов для внутрикристального оптического усиления.

С точки зрения обнаружения света, тонкая пленка ниобата лития имеет хорошие характеристики пропускания света в диапазоне 1550 нм. Функция фотоэлектрического преобразования не может быть реализована, поэтому для приложений микроволновых фотонов, чтобы удовлетворить потребности фотоэлектрического преобразования на чипе. Блоки обнаружения InGaAs или Ge-Si должны быть внедрены в фотонные интегрированные чипы на основе LNOI путем обратной сварки или эпитаксиального выращивания. Что касается связи с оптическим волокном, поскольку само оптическое волокно изготовлено из материала SiO2, поле моды волновода SiO2 имеет самую высокую степень согласования с полем моды оптического волокна, и соединение является наиболее удобным. Диаметр поля моды сильно ограниченного волновода из тонкопленочного ниобата лития составляет около 1 мкм, что сильно отличается от поля моды оптического волокна, поэтому необходимо выполнить правильное преобразование пятна моды, чтобы оно соответствовало полю моды оптического волокна.

С точки зрения интеграции, то, обладают ли различные материалы высоким интеграционным потенциалом, зависит главным образом от радиуса изгиба волновода (на который влияет ограничение поля моды волновода). Сильно ограниченный волновод позволяет использовать меньший радиус изгиба, что более способствует реализации высокой степени интеграции. Таким образом, тонкопленочные волноводы из ниобата лития имеют потенциал для достижения высокой степени интеграции. Таким образом, появление тонкопленочного ниобата лития позволяет материалу из ниобата лития действительно играть роль оптического «кремния». Для применения микроволновых фотонов преимущества тонкопленочного ниобата лития более очевидны.