Высокоинтегрированный тонкопленочный электрооптический модулятор на основе ниобата лития

Высокая линейностьэлектрооптический модулятори применение микроволновых фотонов
С ростом требований к системам связи, для дальнейшего повышения эффективности передачи сигналов, люди будут объединять фотоны и электроны для достижения дополнительных преимуществ, и так родится 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 домен является аналоговым сигнальным процессом, и обычныеэлектрооптические модуляторыимеют присущую нелинейность, в процессе преобразования происходит серьезное искажение сигнала. Для достижения приблизительной линейной модуляции рабочая точка модулятора обычно фиксируется в точке ортогонального смещения, но она все равно не может удовлетворить требованиям микроволнового фотонного канала к линейности модулятора. Электрооптические модуляторы с высокой линейностью срочно необходимы.

Высокоскоростная модуляция показателя преломления кремниевых материалов обычно достигается эффектом плазменной дисперсии свободных носителей (FCD). Как эффект FCD, так и модуляция PN-перехода являются нелинейными, что делает кремниевый модулятор менее линейным, чем модулятор на основе ниобата лития. Материалы на основе ниобата лития демонстрируют превосходныеэлектрооптическая модуляциясвойства из-за их эффекта втягивания. В то же время материал ниобата лития имеет преимущества большой полосы пропускания, хороших характеристик модуляции, низких потерь, легкой интеграции и совместимости с полупроводниковым процессом, использование тонкопленочного ниобата лития для создания высокопроизводительного электрооптического модулятора, по сравнению с кремнием почти без «короткой пластины», но также для достижения высокой линейности. Тонкопленочный ниобат лития (LNOI) электрооптический модулятор на изоляторе стал перспективным направлением развития. С развитием технологии подготовки тонкопленочного материала ниобата лития и технологии травления волноводов высокая эффективность преобразования и более высокая интеграция тонкопленочного электрооптического модулятора ниобата лития стали областью международной академии и промышленности.

Характеристики тонкопленочного ниобата лития
В США DAP AR planning провел следующую оценку материалов ниобата лития: если центр электронной революции назван в честь кремниевого материала, который делает ее возможной, то место рождения фотонной революции, скорее всего, 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, как и кремниевые материалы в области оптики.

С точки зрения оптических характеристик передачи, материал InP имеет самые большие потери передачи на кристалле из-за поглощения света в обычно используемом диапазоне 1550 нм. SiO2 и нитрид кремния имеют лучшие характеристики передачи, и потери могут достигать уровня ~ 0,01 дБ/см; В настоящее время потери волновода тонкопленочного волновода из ниобата лития могут достигать уровня 0,03 дБ/см, и потери тонкопленочного волновода из ниобата лития имеют потенциал для дальнейшего снижения с непрерывным совершенствованием технологического уровня в будущем. Таким образом, тонкопленочный материал из ниобата лития покажет хорошие характеристики для пассивных световых структур, таких как фотосинтетический путь, шунт и микрокольцо.

С точки зрения генерации света, только InP имеет возможность излучать свет напрямую; Поэтому для применения микроволновых фотонов необходимо ввести источник света на основе InP на фотонный интегральный чип на основе LNOI путем сварки с обратной загрузкой или эпитаксиального роста. С точки зрения модуляции света, выше подчеркивалось, что тонкопленочный материал ниобата лития легче достичь большей полосы модуляции, более низкого напряжения полуволны и меньших потерь при передаче, чем InP и Si. Более того, высокая линейность электрооптической модуляции тонкопленочных материалов ниобата лития имеет важное значение для всех применений микроволновых фотонов.

С точки зрения оптической маршрутизации, высокоскоростной электрооптический отклик тонкопленочного материала ниобата лития делает оптический переключатель на основе LNOI способным к высокоскоростному оптическому маршрутному переключению, а энергопотребление такого высокоскоростного переключения также очень низкое. Для типичного применения интегрированной технологии микроволновых фотонов оптически управляемый чип формирования луча обладает способностью высокоскоростного переключения для удовлетворения потребностей быстрого сканирования луча, а характеристики сверхнизкого энергопотребления хорошо адаптированы к строгим требованиям крупномасштабной системы фазированной решетки. Хотя оптический переключатель на основе InP также может реализовать высокоскоростное оптическое переключение пути, он будет вносить большой шум, особенно когда многоуровневый оптический переключатель каскадирован, коэффициент шума будет серьезно ухудшен. Материалы из кремния, SiO2 и нитрида кремния могут переключать оптические пути только через термооптический эффект или эффект дисперсии носителей, что имеет недостатки высокого энергопотребления и низкой скорости переключения. Когда размер решетки фазированной решетки большой, он не может удовлетворить требования энергопотребления.

С точки зрения оптического усиления,полупроводниковый оптический усилитель (СОА) на основе InP созрел для коммерческого использования, но имеет недостатки в виде высокого коэффициента шума и низкой выходной мощности насыщения, что не способствует применению микроволновых фотонов. Параметрический процесс усиления тонкопленочного волновода из ниобата лития, основанный на периодической активации и инверсии, позволяет достичь низкого уровня шума и высокой мощности оптического усиления на кристалле, что вполне может удовлетворить требованиям интегрированной технологии микроволновых фотонов для оптического усиления на кристалле.

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 с микроволновыми фотонами, чтобы удовлетворить потребности фотоэлектрического преобразования на чипе. Устройства обнаружения InGaAs или Ge-Si должны быть внедрены на фотонных интегральных микросхемах на основе LNOI путем сварки с обратной загрузкой или эпитаксиального роста. С точки зрения соединения с оптоволокном, поскольку само оптоволокно является материалом SiO2, поле моды волновода SiO2 имеет самую высокую степень соответствия с полем моды оптоволокна, и соединение является наиболее удобным. Диаметр поля моды сильно ограниченного волновода тонкой пленки ниобата лития составляет около 1 мкм, что существенно отличается от поля моды оптоволокна, поэтому необходимо выполнить надлежащее преобразование пятна моды для соответствия полю моды оптоволокна.

С точки зрения интеграции, имеют ли различные материалы высокий потенциал интеграции, зависит в основном от радиуса изгиба волновода (на который влияет ограничение поля моды волновода). Сильно ограниченный волновод допускает меньший радиус изгиба, что более благоприятствует реализации высокой интеграции. Поэтому тонкопленочные волноводы из ниобата лития имеют потенциал для достижения высокой интеграции. Поэтому появление тонкопленочного ниобата лития позволяет материалу из ниобата лития действительно играть роль оптического «кремния». Для применения микроволновых фотонов преимущества тонкопленочного ниобата лития более очевидны.