Высокая линейностьэлектрооптический модулятори применение микроволновых фотонов
В связи с растущими требованиями к системам связи, для дальнейшего повышения эффективности передачи сигналов будут применяться методы слияния фотонов и электронов для достижения взаимодополняющих преимуществ, и так зародится микроволновая фотоника. Электрооптический модулятор необходим для преобразования электричества в свет.микроволновые фотонные системыЭтот ключевой этап обычно определяет производительность всей системы. Поскольку преобразование радиочастотного сигнала в оптический сигнал является аналоговым процессом, и обычныйэлектрооптические модуляторыОбладая присущей им нелинейностью, модулятор в процессе преобразования подвергается серьезному искажению сигнала. Для достижения приблизительно линейной модуляции рабочая точка модулятора обычно фиксируется в ортогональной точке смещения, но это все еще не соответствует требованиям к линейности модулятора в микроволновых фотонных линиях связи. Существует острая необходимость в электрооптических модуляторах с высокой линейностью.
Высокоскоростная модуляция показателя преломления кремниевых материалов обычно достигается за счет эффекта дисперсии плазмы 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 превосходные характеристики.электрооптическая модуляцияСвойства ниобата лития обусловлены его эффектом Пукера. В то же время, материал ниобата лития обладает преимуществами большой полосы пропускания, хорошими характеристиками модуляции, низкими потерями, простотой интеграции и совместимостью с полупроводниковыми технологиями. Использование тонкопленочного ниобата лития для создания высокоэффективных электрооптических модуляторов позволяет, по сравнению с кремнием, практически не иметь «короткой пластины», а также достигать высокой линейности. Электрооптические модуляторы на основе тонкопленочного ниобата лития (LNOI) на диэлектрической подложке стали перспективным направлением развития. С развитием технологий получения тонкопленочного ниобата лития и технологии травления волноводов, высокая эффективность преобразования и более высокая степень интеграции электрооптических модуляторов на основе тонкопленочного ниобата лития стали предметом международного научного и промышленного интереса.
Характеристики тонкопленочного ниобата лития
В США компания DAP AR Planning дала следующую оценку материалам на основе ниобата лития: если центр электронной революции назван в честь кремниевого материала, который делает её возможной, то колыбелью фотонной революции, скорее всего, станет ниобат лития. Это объясняется тем, что ниобат лития объединяет в себе электрооптический, акустооптический, пьезоэлектрический, термоэлектрический и фоторефрактивный эффекты, подобно кремниевым материалам в области оптики.
С точки зрения оптических характеристик пропускания, материал InP имеет наибольшие 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 в волноводе из тонкопленочного ниобата лития могут достигать уровня 0,03 дБ/см, и в будущем их можно будет еще больше снизить за счет непрерывного совершенствования технологий. Поэтому тонкопленочный ниобат лития будет демонстрировать 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 применения микроволновых фотонов необходимо внедрить источник света на основе InP в фотонный интегральный чип на основе LNOI путем обратной сварки или эпитаксиального роста. Что касается модуляции света, как было подчеркнуто выше, тонкопленочный ниобат лития позволяет легче достичь большей полосы модуляции, меньшего напряжения полуволны и меньших потерь при передаче, чем InP и Si. Кроме того, высокая линейность электрооптической модуляции тонкопленочных ниобатов лития имеет важное значение для всех применений микроволновых фотонов.
С точки зрения оптической маршрутизации, высокоскоростной электрооптический отклик тонкопленочного ниобата лития позволяет оптическому переключателю на основе LNOI обеспечивать высокоскоростное переключение оптической маршрутизации, при этом энергопотребление такого высокоскоростного переключения также очень низкое. Для типичного применения в интегрированной микроволновой фотонной технологии, чип оптического управления формированием луча обладает возможностью высокоскоростного переключения, удовлетворяющего потребностям быстрого сканирования луча, а характеристики сверхнизкого энергопотребления хорошо подходят для жестких требований крупномасштабных фазированных антенных решеток. Хотя оптический переключатель на основе InP также может обеспечивать высокоскоростное переключение оптического пути, он будет вносить большой шум, особенно при каскадном соединении многоуровневых оптических переключателей, где коэффициент шума будет серьезно ухудшаться. Кремний, SiO2 и нитрид кремния могут переключать оптические пути только за счет термооптического эффекта или эффекта дисперсии носителей заряда, что имеет недостатки в виде высокого энергопотребления и низкой скорости переключения. При больших размерах фазированной антенной решетки это не может удовлетворить требованиям к энергопотреблению.
С точки зрения оптического усиления,полупроводниковый оптический усилитель (SOAМикроволновые волноводы на основе InP хорошо зарекомендовали себя в коммерческом использовании, однако имеют недостатки, такие как высокий коэффициент шума и низкая выходная мощность насыщения, что не способствует применению микроволновых фотонов. Параметрический процесс усиления в тонкопленочном волноводе из ниобата лития на основе периодической активации и инверсии позволяет достичь низкого уровня шума и высокой мощности оптического усиления на кристалле, что хорошо соответствует требованиям интегрированной технологии микроволнового фотонного усиления на кристалле.
С точки зрения детектирования света, тонкопленочный ниобат лития обладает хорошими характеристиками пропускания света в диапазоне 1550 нм. Функция фотоэлектрического преобразования не может быть реализована, поэтому для микроволновых фотонных приложений, чтобы удовлетворить потребности в фотоэлектрическом преобразовании на чипе, необходимо внедрить детекторные блоки InGaAs или Ge-Si в фотонные интегральные чипы на основе LNOI путем обратной сварки или эпитаксиального роста. Что касается связи с оптическим волокном, поскольку само оптическое волокно представляет собой материал SiO2, модовое поле волновода SiO2 имеет наивысшую степень согласования с модовым полем оптического волокна, и связь является наиболее удобной. Диаметр модового поля сильно ограниченного волновода из тонкопленочного ниобата лития составляет около 1 мкм, что значительно отличается от модового поля оптического волокна, поэтому необходимо выполнить соответствующее преобразование модового пятна для согласования с модовым полем оптического волокна.
С точки зрения интеграции, потенциал высокой интеграции различных материалов в основном зависит от радиуса изгиба волновода (на который влияет ограничение поля моды волновода). Сильно ограниченный волновод позволяет использовать меньший радиус изгиба, что способствует достижению высокой интеграции. Поэтому тонкопленочные волноводы из ниобата лития обладают потенциалом для достижения высокой интеграции. Таким образом, появление тонкопленочного ниобата лития позволяет материалу из ниобата лития действительно играть роль оптического «кремния». Для применения в микроволновом излучении преимущества тонкопленочного ниобата лития становятся еще более очевидными.
Дата публикации: 23 апреля 2024 г.