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 uzyskać uzupełniające się korzyści, co doprowadzi do narodzin fotoniki mikrofalowej. Modulator elektrooptyczny jest niezbędny do konwersji energii elektrycznej na światło w…mikrofalowe systemy fotoniczne, a ten kluczowy krok zazwyczaj decyduje o wydajności całego systemu. Ponieważ konwersja sygnału radiowego na sygnał optyczny jest procesem analogowym, a nie zwykłymmodulatory elektrooptyczneMają one wrodzoną nieliniowość, co powoduje poważne zniekształcenia sygnału w procesie konwersji. Aby uzyskać przybliżoną modulację liniową, punkt pracy modulatora jest zazwyczaj ustalony w punkcie polaryzacji ortogonalnej, co jednak nadal nie spełnia wymagań liniowości łącza fotonowego mikrofalowego. Pilnie potrzebne są modulatory elektrooptyczne o wysokiej liniowości.
Szybka modulacja współczynnika załamania światła w materiałach krzemowych jest zazwyczaj osiągana dzięki efektowi dyspersji plazmy swobodnych nośników (FCD). Zarówno efekt FCD, jak i modulacja złącza PN są nieliniowe, co sprawia, że modulator krzemowy jest mniej liniowy niż modulator niobianu litu. Materiały niobianowe litu charakteryzują się doskonałąmodulacja elektrooptycznaWłaściwości wynikające z efektu Puckera. Jednocześnie materiał niobianu litu charakteryzuje się dużą szerokością pasma, dobrymi właściwościami modulacyjnymi, niskimi stratami, łatwą integracją i kompatybilnością z procesami półprzewodnikowymi. Zastosowanie cienkowarstwowego niobianu litu do produkcji wysokowydajnego modulatora elektrooptycznego, w porównaniu z krzemem, praktycznie eliminuje zjawisko „krótkiej płytki”, a także pozwala uzyskać wysoką liniowość. Cienkowarstwowy modulator elektrooptyczny z niobianem litu (LNOI) na izolatorze stał się obiecującym kierunkiem rozwoju. Wraz z rozwojem technologii przygotowania cienkowarstwowego materiału z niobianem litu i technologii trawienia falowodów, wysoka wydajność konwersji i lepsza integracja cienkowarstwowego modulatora elektrooptycznego z niobianem litu stały się przedmiotem zainteresowania międzynarodowego środowiska akademickiego i przemysłu.
Charakterystyka cienkowarstwowego niobianu litu
W Stanach Zjednoczonych, DAP AR Planning przeprowadził następującą ocenę materiałów z niobianu litu: jeśli centrum rewolucji elektronicznej nosi nazwę od materiału krzemowego, który ją umożliwia, to miejsce narodzin rewolucji fotonicznej prawdopodobnie będzie nosiło nazwę od niobianu litu. Dzieje się tak, ponieważ niobian litu integruje w sobie efekt elektrooptyczny, akustooptyczny, piezoelektryczny, termoelektryczny i fotorefrakcyjny, podobnie jak materiały krzemowe w dziedzinie optyki.
Pod względem właściwości transmisji optycznej, materiał InP charakteryzuje się największymi stratami transmisji na chipie, wynikającymi z absorpcji światła w powszechnie stosowanym paśmie 1550 nm. SiO2 i azotek krzemu charakteryzują się najlepszymi właściwościami transmisji, a straty mogą sięgać ~0,01 dB/cm. Obecnie straty w światłowodzie z cienkowarstwowego niobianu litu mogą sięgać 0,03 dB/cm, a straty w tym światłowodzie mogą zostać jeszcze bardziej zredukowane dzięki ciągłemu rozwojowi technologicznemu w przyszłości. Dlatego cienkowarstwowy materiał z niobianu litu będzie dobrze sprawdzał się w pasywnych strukturach świetlnych, takich jak ścieżki fotosyntezy, boczniki i mikropierścienie.
Pod względem generowania światła, tylko InP ma zdolność bezpośredniej emisji światła. Dlatego też, w celu zastosowania fotonów mikrofalowych, konieczne jest wprowadzenie źródła światła opartego na InP do zintegrowanego układu fotonicznego opartego na LNOI poprzez spawanie z ładowaniem wstecznym lub wzrost epitaksjalny. W odniesieniu do modulacji światła, jak podkreślono powyżej, cienkowarstwowy materiał z niobianu litu łatwiej osiąga szerszą szerokość pasma modulacji, niższe napięcie półfalowe i niższe straty transmisji niż InP i Si. Ponadto, wysoka liniowość modulacji elektrooptycznej cienkowarstwowych materiałów z niobianu litu ma kluczowe znaczenie dla wszystkich zastosowań fotonów mikrofalowych.
W zakresie routingu optycznego, szybka reakcja elektrooptyczna cienkowarstwowego materiału niobianu litu sprawia, że przełącznik optyczny oparty na LNOI umożliwia szybkie przełączanie routingu optycznego, a pobór mocy takiego szybkiego przełączania jest również bardzo niski. W typowych zastosowaniach zintegrowanej technologii mikrofalowo-fotonowej, optycznie sterowany układ formowania wiązki (Beamforming Chip) umożliwia szybkie przełączanie, aby sprostać potrzebom szybkiego skanowania wiązki, a cechy ultraniskiego poboru mocy są dobrze dostosowane do rygorystycznych wymagań dużych systemów z matrycą fazowaną. Chociaż przełącznik optyczny oparty na InP może również realizować szybkie przełączanie ścieżek optycznych, wprowadza on duży szum, szczególnie w przypadku kaskadowania przełączników optycznych wielopoziomowych, co znacznie pogarsza współczynnik szumów. Materiały krzemowe, SiO2 i azotek krzemu mogą przełączać ścieżki optyczne jedynie poprzez efekt termooptyczny lub efekt dyspersji nośnych, co ma wady w postaci wysokiego poboru mocy i niskiej prędkości przełączania. Duży rozmiar matrycy w matrycy fazowanej nie pozwala na spełnienie wymagań dotyczących poboru mocy.
Jeśli chodzi o wzmocnienie optyczne,wzmacniacz optyczny półprzewodnikowy (SOA) oparty na InP jest gotowy do zastosowań komercyjnych, ale ma wady w postaci wysokiego współczynnika szumów i niskiej mocy wyjściowej nasycenia, co nie sprzyja zastosowaniu fotonów mikrofalowych. Proces parametrycznego wzmocnienia cienkowarstwowego falowodu z niobianu litu, oparty na okresowej aktywacji i inwersji, pozwala uzyskać niski poziom szumów i wysoką moc wzmocnienia optycznego na chipie, co doskonale spełnia wymagania zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych w zakresie wzmocnienia optycznego na chipie.
Pod względem detekcji światła, cienkowarstwowy niobian litu charakteryzuje się dobrą transmisją światła w paśmie 1550 nm. Funkcja konwersji fotoelektrycznej nie może być zrealizowana, dlatego w zastosowaniach mikrofalowych, w celu spełnienia wymagań konwersji fotoelektrycznej na chipie, konieczne jest wprowadzenie jednostek detekcyjnych InGaAs lub Ge-Si do fotonicznych układów scalonych opartych na LNOI poprzez spawanie z ładowaniem wstecznym lub wzrost epitaksjalny. Pod względem sprzężenia ze światłowodem, ponieważ samo włókno światłowodowe jest wykonane z materiału SiO₂, pole modowe falowodu SiO₂ ma najwyższy stopień dopasowania do pola modowego 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 konieczna jest odpowiednia transformacja punktowa, aby dopasować ją do pola modowego światłowodu.
W zakresie integracji, wysoki potencjał integracji różnych materiałów zależy głównie od promienia gięcia falowodu (na który wpływa ograniczenie pola modów falowodu). Silnie ograniczony falowód pozwala na mniejszy promień gięcia, co bardziej sprzyja osiągnięciu wysokiej integracji. Dlatego cienkowarstwowe falowody z niobianu litu mają potencjał do osiągnięcia wysokiej integracji. Pojawienie się cienkowarstwowego niobianu litu umożliwia zatem wykorzystanie niobianu litu jako optycznego „krzemu”. W zastosowaniach fotonów mikrofalowych zalety cienkowarstwowego niobianu litu są bardziej oczywiste.
Czas publikacji: 23-04-2024