Wysoka liniowośćmodulator elektrooptycznyi zastosowanie fotonów mikrofalowych
Wraz ze wzrostem wymagań systemów komunikacyjnych, w celu dalszej poprawy wydajności transmisji sygnałów, ludzie będą łączyć fotony i elektrony, aby osiągnąć uzupełniające się korzyści, i narodzi się fotonika mikrofalowa. Do konwersji prądu elektrycznego na światło potrzebny jest modulator elektrooptycznymikrofalowe systemy fotonicznei ten kluczowy krok zwykle determinuje wydajność całego systemu. Ponieważ konwersja sygnału o częstotliwości radiowej na dziedzinę optyczną jest procesem sygnału analogowego i zwyczajnymmodulatory elektrooptycznemają wrodzoną nieliniowość, w procesie konwersji dochodzi do poważnych zniekształceń sygnału. Aby uzyskać przybliżoną modulację liniową, punkt pracy modulatora jest zwykle ustalany w ortogonalnym punkcie polaryzacji, ale nadal nie może spełnić wymagań mikrofalowego łącza fotonowego w zakresie liniowości modulatora. Pilnie potrzebne są modulatory elektrooptyczne o dużej liniowości.
Modulację współczynnika załamania światła materiałów krzemowych z dużą szybkością zwykle osiąga się poprzez efekt dyspersji plazmy wolnego nośnika (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 doskonałe właściwościmodulacja 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, zastosowania cienkowarstwowego niobianu litu do wytworzenia wysokowydajnego modulatora elektrooptycznego w porównaniu z krzemem prawie bez „krótkiej płyty”, ale także w celu osiągnięcia wysokiej liniowości. Obiecującym kierunkiem rozwoju stał się cienkowarstwowy modulator elektrooptyczny z niobianu litu (LNOI) na izolatorze. Wraz z rozwojem technologii przygotowania cienkowarstwowego materiału z niobianu litu i technologii trawienia falowodem, wysoka wydajność konwersji i większa integracja elektrooptycznego modulatora cienkowarstwowego niobianu litu stała się dziedziną międzynarodowego środowiska akademickiego i przemysłu.
Charakterystyka cienkowarstwowego niobianu litu
W Stanach Zjednoczonych podczas planowania DAP AR dokonano następującej oceny materiałów z niobianu litu: jeśli centrum rewolucji elektronicznej zostanie nazwane na cześć materiału krzemowego, który to umożliwia, to miejsce narodzin rewolucji fotonicznej prawdopodobnie zostanie nazwane na cześć niobianu litu . Dzieje się tak, ponieważ niobian litu łączy efekt elektrooptyczny, efekt akustooptyczny, efekt piezoelektryczny, efekt termoelektryczny i efekt fotorefrakcji w jednym, podobnie jak materiały krzemowe w dziedzinie optyki.
Pod względem charakterystyki transmisji optycznej materiał InP charakteryzuje się największą stratą transmisji na chipie w wyniku absorpcji światła w powszechnie używanym paśmie 1550 nm. Najlepsze właściwości transmisyjne mają SiO2 i azotek krzemu, a straty mogą sięgać poziomu ~ 0,01 dB/cm; Obecnie utrata falowodu cienkowarstwowego falowodu niobianu litu może osiągnąć poziom 0,03 dB/cm, a utrata cienkowarstwowego falowodu niobianu litu ma potencjał do dalszego ograniczenia wraz z ciągłym podnoszeniem poziomu technologicznego w przyszły. Dlatego cienkowarstwowy materiał niobianu litu będzie wykazywać dobre działanie w przypadku pasywnych struktur świetlnych, takich jak ścieżka fotosyntezy, bocznik i mikroring.
Jeśli chodzi o wytwarzanie światła, tylko InP ma zdolność bezpośredniego emitowania światła; Dlatego do zastosowania fotonów mikrofalowych konieczne jest wprowadzenie źródła światła opartego na InP na zintegrowany chip fotoniczny oparty na LNOI poprzez spawanie wsteczne lub wzrost epitaksjalny. Jeśli chodzi o modulację światła, podkreślono powyżej, że cienkowarstwowy materiał niobianu litu jest łatwiejszy do osiągnięcia większej szerokości pasma modulacji, niższego napięcia półfali i niższych strat transmisji niż InP i Si. Co więcej, wysoka liniowość modulacji elektrooptycznej cienkowarstwowych materiałów niobianu litu jest niezbędna we wszystkich zastosowaniach fotonów mikrofalowych.
Jeśli chodzi o routing optyczny, szybka reakcja elektrooptyczna cienkowarstwowego niobianu litu sprawia, że przełącznik optyczny oparty na LNOI jest w stanie zapewnić szybkie przełączanie routingu optycznego, a zużycie energii w przypadku takiego szybkiego przełączania jest również bardzo niskie. W typowym zastosowaniu zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych, optycznie sterowany układ kształtujący wiązkę ma zdolność szybkiego przełączania, aby sprostać potrzebom szybkiego skanowania wiązką, a charakterystyka bardzo niskiego zużycia energii jest dobrze dostosowana do rygorystycznych wymagań dużych system fazowanego układu w skali. Chociaż przełącznik optyczny oparty na InP może również realizować szybkie przełączanie ścieżki optycznej, będzie on wprowadzał duże szumy, szczególnie w przypadku kaskadowego wielopoziomowego przełącznika optycznego, współczynnik szumu ulegnie poważnemu pogorszeniu. Materiały krzemowe, SiO2 i azotek krzemu mogą przełączać ścieżki optyczne jedynie poprzez efekt termooptyczny lub efekt dyspersji nośnika, co ma wadę w postaci dużego zużycia energii i małej prędkości przełączania. Gdy rozmiar tablicy fazowanej jest duży, nie może on spełnić wymagań dotyczących zużycia energii.
Jeśli chodzi o wzmocnienie optyczne, topółprzewodnikowy wzmacniacz optyczny (SOA) oparty na InP jest gotowy do użytku komercyjnego, ma jednak wady w postaci wysokiego współczynnika szumu i niskiej mocy wyjściowej nasycenia, co nie sprzyja zastosowaniu fotonów mikrofalowych. Proces wzmacniania parametrycznego cienkowarstwowego falowodu z niobianu litu, oparty na okresowej aktywacji i inwersji, pozwala uzyskać wzmocnienie optyczne w chipie o niskim poziomie szumów i dużej mocy, co może dobrze spełniać wymagania zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych do wzmocnienia optycznego na chipie.
Jeśli chodzi o wykrywanie światła, cienkowarstwowy nioban litu ma dobre właściwości transmisji światła w paśmie 1550 nm. Nie można zrealizować funkcji konwersji fotoelektrycznej, dlatego w zastosowaniach fotonów mikrofalowych, w celu zaspokojenia potrzeb konwersji fotoelektrycznej na chipie. Należy wprowadzić jednostki detekcyjne InGaAs lub Ge-Si do zintegrowanych chipów fotonicznych opartych na LNOI poprzez spawanie wsteczne lub wzrost epitaksjalny. Jeśli chodzi o sprzężenie ze światłowodem, ponieważ samo światłowód jest materiałem SiO2, pole modowe falowodu SiO2 ma najwyższy stopień dopasowania z polem modowym światłowodu, a sprzężenie jest najwygodniejsze. Średnica pola modowego silnie ograniczonego falowodu z cienkowarstwowego niobianu litu wynosi około 1 μm, co znacznie różni się od pola modowego światłowodu, dlatego należy przeprowadzić odpowiednią transformację plamki modowej, aby dopasować ją do pola modowego światłowodu.
Jeśli chodzi o integrację, to czy różne materiały mają wysoki potencjał integracji, zależy głównie od promienia zgięcia falowodu (na który wpływa ograniczenie pola modu falowodu). Silnie ograniczony falowód pozwala na mniejszy promień zgięcia, co bardziej sprzyja realizacji wysokiej integracji. Dlatego cienkowarstwowe falowody z niobianu litu mają potencjał osiągnięcia wysokiej integracji. Dlatego pojawienie się cienkowarstwowego niobianu litu sprawia, że materiał niobianu litu naprawdę odgrywa rolę optycznego „krzemu”. W przypadku zastosowania fotonów mikrofalowych zalety cienkowarstwowego niobianu litu są bardziej oczywiste.
Czas publikacji: 23 kwietnia 2024 r