Wysoka liniowośćmodulator elektrooptycznyi zastosowanie fotonów mikrofalowych
Wraz ze wzrostem wymagań systemów komunikacyjnych, aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność transmisji sygnałów, ludzie będą łączyć fotony i elektrony, aby osiągnąć uzupełniające się korzyści, a narodzi się fotonika mikrofalowa. Modulator elektrooptyczny jest potrzebny do konwersji energii elektrycznej na światło wsystemy fotoniczne mikrofalowe, a ten kluczowy krok zazwyczaj decyduje o wydajności całego systemu. Ponieważ konwersja sygnału częstotliwości radiowej na domenę optyczną jest procesem sygnału analogowego, a zwykłymodulatory elektrooptycznemają wrodzoną nieliniowość, w procesie konwersji występuje poważne zniekształcenie sygnału. Aby osiągnąć przybliżoną modulację liniową, punkt pracy modulatora jest zwykle ustalony w punkcie polaryzacji ortogonalnej, ale nadal nie może on spełnić wymagań łącza fotonowego mikrofalowego dla liniowości modulatora. Modulatory elektrooptyczne o wysokiej liniowości są pilnie potrzebne.
Szybka modulacja współczynnika załamania materiałów krzemowych jest zwykle osiągana przez efekt dyspersji plazmy nośników swobodnych (FCD). Zarówno efekt FCD, jak i modulacja złącza PN są nieliniowe, co sprawia, że modulator krzemowy jest mniej liniowy niż modulator niobianu litu. Materiały niobianu litu wykazują doskonałemodulacja elektrooptycznawłaściwości ze względu na efekt Puckera. Jednocześnie materiał niobianu litu ma zalety dużej szerokości pasma, dobrych właściwości modulacyjnych, niskich strat, łatwej integracji i kompatybilności z procesem półprzewodnikowym, zastosowanie cienkowarstwowego niobianu litu do wytwarzania wysokowydajnego modulatora elektrooptycznego, w porównaniu z krzemem prawie żadnej „krótkiej płytki”, ale także do osiągnięcia wysokiej liniowości. Cienkowarstwowy niobian litu (LNOI) modulator elektrooptyczny na izolatorze stał się obiecującym kierunkiem rozwoju. Dzięki rozwojowi technologii przygotowania materiału cienkowarstwowego niobianu litu i technologii trawienia falowodów, wysoka wydajność konwersji i wyższa integracja cienkowarstwowego niobianu litu modulatora elektrooptycznego stały się dziedziną międzynarodowej nauki i przemysłu.
Charakterystyka cienkowarstwowego niobianu litu
W Stanach Zjednoczonych DAP AR planning przeprowadziło następującą ocenę materiałów niobianu litu: jeśli centrum rewolucji elektronicznej zostało nazwane na cześć materiału krzemowego, który ją umożliwia, to miejsce narodzin rewolucji fotonicznej prawdopodobnie zostało nazwane na cześć niobianu litu. Dzieje się tak, ponieważ niobian litu integruje efekt elektrooptyczny, efekt akustooptyczny, efekt piezoelektryczny, efekt termoelektryczny i efekt fotorefrakcyjny w jednym, tak jak materiały krzemowe w dziedzinie optyki.
Pod względem charakterystyk transmisji optycznej materiał InP ma największą stratę transmisji na chipie z powodu absorpcji światła w powszechnie używanym paśmie 1550 nm. SiO2 i azotek krzemu mają najlepsze charakterystyki transmisji, a strata może osiągnąć poziom ~ 0,01 dB/cm; Obecnie strata falowodu cienkowarstwowego falowodu niobianu litu może osiągnąć poziom 0,03 dB/cm, a strata cienkowarstwowego falowodu niobianu litu ma potencjał, aby zostać dalej zmniejszona dzięki ciągłemu doskonaleniu poziomu technologicznego w przyszłości. Dlatego cienkowarstwowy materiał niobianu litu będzie wykazywał dobrą wydajność w przypadku pasywnych struktur świetlnych, takich jak ścieżka fotosyntetyczna, bocznik i mikropierścień.
Pod względem generowania światła, tylko InP ma zdolność do bezpośredniej emisji światła; Dlatego też, w przypadku zastosowania mikrofalowych fotonów, konieczne jest wprowadzenie źródła światła opartego na InP na zintegrowanym chipie fotonicznym opartym na LNOI poprzez spawanie z ładowaniem wstecznym lub wzrost epitaksjalny. Pod względem modulacji światła, podkreślono powyżej, że cienkowarstwowy materiał niobianu litu jest łatwiejszy do osiągnięcia większej szerokości pasma modulacji, niższego napięcia półfalowego i mniejszej straty transmisji niż InP i Si. Ponadto, wysoka liniowość elektrooptycznej modulacji cienkowarstwowych materiałów niobianu litu jest niezbędna dla wszystkich zastosowań mikrofalowych fotonów.
Jeśli chodzi o trasowanie optyczne, szybka reakcja elektrooptyczna cienkowarstwowego materiału niobianu litu sprawia, że przełącznik optyczny oparty na LNOI jest zdolny do szybkiego przełączania trasowania optycznego, a pobór mocy takiego szybkiego przełączania jest również bardzo niski. W przypadku typowego zastosowania zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych, optycznie sterowany układ formowania wiązki ma zdolność szybkiego przełączania, aby sprostać potrzebom szybkiego skanowania wiązki, a cechy ultraniskiego poboru mocy są dobrze dostosowane do ścisłych wymagań dużego systemu z fazowaną matrycą. Chociaż przełącznik optyczny oparty na InP może również realizować szybkie przełączanie ścieżki optycznej, wprowadzi on duży szum, zwłaszcza gdy wielopoziomowy przełącznik optyczny jest kaskadowany, współczynnik szumu ulegnie poważnemu pogorszeniu. Materiały krzemowe, SiO2 i azotek krzemu mogą przełączać ścieżki optyczne tylko poprzez efekt termooptyczny lub efekt dyspersji nośników, co ma wady w postaci dużego poboru mocy i niskiej prędkości przełączania. Gdy rozmiar matrycy z fazowaną matrycą jest duży, nie może on spełnić wymagań dotyczących poboru mocy.
Jeśli chodzi o wzmocnienie optyczne,wzmacniacz optyczny półprzewodnikowy (SOA) na bazie InP jest dojrzały do użytku komercyjnego, ale ma wady wysokiego współczynnika szumów i niskiej mocy wyjściowej nasycenia, co nie sprzyja zastosowaniu fotonów mikrofalowych. Proces parametrycznego wzmocnienia cienkowarstwowego falowodu niobianu litu oparty na okresowej aktywacji i inwersji może osiągnąć niski poziom szumów i wysoką moc wzmocnienia optycznego na chipie, co może dobrze spełniać wymagania zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych dla wzmocnienia optycznego na chipie.
Pod względem detekcji światła cienkowarstwowy niobian litu ma dobre właściwości transmisji światła w paśmie 1550 nm. Funkcja konwersji fotoelektrycznej nie może być zrealizowana, więc w przypadku zastosowań mikrofalowych fotonów, aby spełnić potrzeby konwersji fotoelektrycznej na chipie, jednostki detekcyjne InGaAs lub Ge-Si muszą zostać wprowadzone na zintegrowane chipy fotoniczne oparte na LNOI poprzez spawanie z ładowaniem wstecznym lub wzrost epitaksjalny. Pod względem sprzężenia z włóknem optycznym, ponieważ samo włókno optyczne jest materiałem SiO2, pole modowe falowodu SiO2 ma najwyższy stopień dopasowania do pola modowego włókna optycznego, a sprzężenie jest najwygodniejsze. Średnica pola modowego silnie ograniczonego falowodu cienkowarstwowego niobianu litu wynosi około 1 μm, co znacznie różni się od pola modowego włókna optycznego, więc należy przeprowadzić odpowiednią transformację punktową trybu, aby dopasować pole modowe włókna optycznego.
Pod względem integracji, to czy różne materiały mają wysoki potencjał integracji zależy głównie od promienia gięcia falowodu (na który wpływa ograniczenie pola modów falowodu). Silnie ograniczony falowód pozwala na mniejszy promień gięcia, co bardziej sprzyja realizacji wysokiej integracji. Dlatego cienkowarstwowe falowody z niobianu litu mają potencjał do osiągnięcia wysokiej integracji. Dlatego pojawienie się cienkowarstwowego niobianu litu umożliwia materiałowi z niobianu litu rzeczywiste odgrywanie roli optycznego „krzemu”. W przypadku zastosowania fotonów mikrofalowych zalety cienkowarstwowego niobianu litu są bardziej oczywiste.
Czas publikacji: 23-kwi-2024