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, получая дополнительные преимущества, что и приведет к появлению микроволновой фотоники. Электрооптический модулятор необходим для преобразования электричества в свет.микроволновые фотонные системы, и этот ключевой этап обычно определяет производительность всей системы. Поскольку преобразование радиочастотного сигнала в оптический диапазон — это аналоговый процесс, и обычноэлектрооптические модуляторыИз-за присущей им нелинейности в процессе преобразования возникают серьёзные искажения сигнала. Для достижения приблизительно линейной модуляции рабочая точка модулятора обычно фиксируется в точке ортогонального смещения, но это всё равно не удовлетворяет требованиям линейности модулятора, предъявляемым к СВЧ-фотонным линиям связи. Электрооптические модуляторы с высокой линейностью крайне необходимы.

Высокоскоростная модуляция показателя преломления кремниевых материалов обычно достигается за счёт эффекта плазменной дисперсии свободных носителей заряда (ФДС). Как эффект ФДС, так и модуляция p-n-перехода нелинейны, что делает кремниевый модулятор менее линейным, чем модулятор на основе ниобата лития. Материалы на основе ниобата лития демонстрируют превосходные результаты.электрооптическая модуляциясвойства, обусловленные их эффектом стягивания. В то же время материал ниобата лития обладает такими преимуществами, как широкая полоса пропускания, хорошие характеристики модуляции, низкие потери, простая интеграция и совместимость с полупроводниковыми процессами. Тонкопленочный ниобат лития используется для создания высокопроизводительных электрооптических модуляторов, по сравнению с кремнием практически без «коротких пластин», а также для достижения высокой линейности. Тонкопленочный электрооптический модулятор на основе ниобата лития (LNOI) на изоляторе стал перспективным направлением развития. С развитием технологии приготовления тонкопленочного материала ниобата лития и технологии травления волноводов высокая эффективность преобразования и более высокая интеграция тонкопленочного электрооптического модулятора на основе ниобата лития стали областью международной академии и промышленности.

Характеристики тонкопленочного ниобата лития
В рамках программы DAP AR Planning в США была проведена следующая оценка материалов на основе ниобата лития: если центр электронной революции назван в честь кремниевого материала, который сделал её возможной, то колыбель фотонной революции, скорее всего, будет названа в честь ниобата лития. Это объясняется тем, что ниобат лития сочетает в себе электрооптический, акустооптический, пьезоэлектрический, термоэлектрический и фоторефрактивный эффекты, подобно кремниевым материалам в оптике.

С точки зрения оптических характеристик пропускания, материал InP имеет самые большие потери пропускания на кристалле из-за поглощения света в обычно используемом диапазоне 1550 нм. SiO2 и нитрид кремния обладают наилучшими характеристиками пропускания, а 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 волновода тонкопленочного волновода из ниобата лития имеют потенциал для дальнейшего снижения благодаря постоянному совершенствованию технологического уровня в будущем. Таким образом, тонкопленочный материал ниобата лития продемонстрирует хорошие характеристики для пассивных световых структур, таких как фотосинтетические пути, шунты и микрокольца.

С точки зрения генерации света, только InP обладает способностью излучать свет напрямую. Поэтому для использования микроволновых фотонов необходимо внедрить источник света на основе InP в фотонную интегральную схему на основе LNOI методом сварки с обратной загрузкой или эпитаксиального выращивания. Что касается модуляции света, выше было подчёркнуто, что тонкоплёночный материал на основе ниобата лития легче обеспечивает более широкую полосу модуляции, меньшее полуволновое напряжение и меньшие потери пропускания, чем InP и Si. Более того, высокая линейность электрооптической модуляции тонкоплёночных материалов на основе ниобата лития имеет решающее значение для всех применений микроволновых фотонов.

Что касается оптической маршрутизации, высокая скорость электрооптического отклика тонкопленочного материала ниобата лития делает оптический переключатель на основе LNOI способным к высокоскоростному коммутированию оптической маршрутизации, при этом энергопотребление такого высокоскоростного переключения также очень низкое. Для типичного применения технологии интегрированных микроволновых фотонов оптически управляемый чип формирования луча обладает способностью к высокоскоростному переключению, удовлетворяя потребности быстрого сканирования луча, а характеристики сверхнизкого энергопотребления хорошо адаптированы к строгим требованиям крупномасштабных фазированных решеток. Хотя оптический переключатель на основе InP также может реализовать высокоскоростное переключение оптических путей, он будет вносить большой шум, особенно при каскадном включении многоуровневого оптического переключателя, коэффициент шума будет значительно ухудшаться. Материалы на основе кремния, SiO2 и нитрида кремния могут коммутировать оптические пути только за счет термооптического эффекта или эффекта дисперсии носителей, что имеет недостатки высокого энергопотребления и низкой скорости переключения. При большом размере фазированной решетки она не может удовлетворить требованиям по энергопотреблению.

С точки зрения оптического усиления,полупроводниковый оптический усилитель (СОА) на основе InP уже достаточно зрелый для коммерческого использования, но имеет такие недостатки, как высокий коэффициент шума и низкая выходная мощность насыщения, что не способствует применению микроволновых фотонов. Параметрический процесс усиления в тонкопленочных волноводах из ниобата лития, основанный на периодической активации и инверсии, позволяет добиться низкого уровня шума и высокой мощности внутрикристального оптического усиления, что вполне соответствует требованиям интегрированной технологии микроволновых фотонов для внутрикристального оптического усиления.

С точки зрения обнаружения света, тонкая пленка ниобата лития обладает хорошими характеристиками пропускания света в диапазоне 1550 нм. Функция фотоэлектрического преобразования не может быть реализована, поэтому для приложений с микроволновыми фотонами, чтобы удовлетворить потребности в фотоэлектрическом преобразовании на чипе, необходимо внедрить блоки детектирования InGaAs или Ge-Si в фотонные интегральные микросхемы на основе LNOI с помощью сварки с обратной загрузкой или эпитаксиального выращивания. С точки зрения сопряжения с оптоволокном, поскольку само оптоволокно изготовлено из материала SiO2, поле моды волновода SiO2 имеет наивысшую степень согласования с полем моды оптоволокна, и сопряжение является наиболее удобным. Диаметр поля моды сильно ограниченного волновода тонкопленочного ниобата лития составляет около 1 мкм, что существенно отличается от поля моды оптоволокна, поэтому необходимо выполнить надлежащее преобразование пятна моды для согласования с полем моды оптоволокна.

С точки зрения интеграции, высокий потенциал интеграции различных материалов зависит главным образом от радиуса изгиба волновода (на который влияет ограничение поля моды волновода). Сильно ограниченный волновод допускает меньший радиус изгиба, что в большей степени способствует достижению высокой интеграции. Таким образом, тонкопленочные волноводы на основе ниобата лития обладают потенциалом для достижения высокой интеграции. Таким образом, появление тонкопленочного ниобата лития позволяет материалу на основе ниобата лития фактически играть роль оптического «кремния». В области применения микроволновых фотонов преимущества тонкопленочного ниобата лития более очевидны.