Hoge lineariteitelektro-optische modulatoren toepassing van microgolffotonen
Met de toenemende eisen aan communicatiesystemen, en om de transmissie-efficiëntie van signalen verder te verbeteren, zullen mensen fotonen en elektronen combineren om complementaire voordelen te behalen, en zo ontstaat microgolffotonica. Een elektro-optische modulator is nodig voor de omzetting van elektriciteit in licht.microgolf fotonische systemenEn deze cruciale stap bepaalt doorgaans de prestaties van het hele systeem. Omdat de omzetting van een radiofrequentiesignaal naar het optische domein een analoog signaalproces is, en gewoneelektro-optische modulatorenDoor de inherente niet-lineariteit treedt er ernstige signaalvervorming op tijdens het conversieproces. Om een benaderend lineaire modulatie te bereiken, wordt het werkingspunt van de modulator meestal vastgelegd op het orthogonale bias-punt, maar dit voldoet nog steeds niet aan de lineariteitseisen van een microgolf-fotonenverbinding. Elektro-optische modulatoren met een hoge lineariteit zijn daarom dringend nodig.
De snelle modulatie van de brekingsindex van siliciummaterialen wordt meestal bereikt door het vrije-dragerplasmadispersie-effect (FCD). Zowel het FCD-effect als de modulatie van de PN-junctie zijn niet-lineair, waardoor de siliciummodulator minder lineair is dan de lithiumniobaatmodulator. Lithiumniobaatmaterialen vertonen uitstekende eigenschappen.elektro-optische modulatieDe eigenschappen van lithiumniobaat zijn te danken aan het Pucker-effect. Tegelijkertijd heeft lithiumniobaat als voordeel een grote bandbreedte, goede modulatie-eigenschappen, lage verliezen, eenvoudige integratie en compatibiliteit met halfgeleiderprocessen. Het gebruik van dunne lithiumniobaatfilms voor de productie van hoogwaardige elektro-optische modulatoren, die in vergelijking met silicium vrijwel geen "kortsluiting" vertonen, zorgt bovendien voor een hoge lineariteit. Elektro-optische modulatoren op basis van dunne lithiumniobaatfilms (LNOI) zijn een veelbelovende ontwikkelingsrichting geworden. Dankzij de ontwikkeling van de productietechnologie voor dunne lithiumniobaatfilms en de etstechnologie voor golfgeleiders, is de hoge conversie-efficiëntie en hogere integratie van elektro-optische modulatoren op basis van dunne lithiumniobaatfilms een belangrijk onderzoeksgebied geworden binnen de internationale academische wereld en de industrie.
Kenmerken van dunne lithiumniobaatfilms
In de Verenigde Staten heeft DAP AR Planning de volgende evaluatie van lithiumniobaatmaterialen gemaakt: als het centrum van de elektronische revolutie vernoemd is naar het siliciummateriaal dat deze mogelijk maakt, dan zal de bakermat van de fotonica-revolutie waarschijnlijk vernoemd worden naar lithiumniobaat. Dit komt omdat lithiumniobaat, net als siliciummaterialen op het gebied van optica, elektro-optische, akoestisch-optische, piëzo-elektrische, thermo-elektrische en fotorefractieve effecten in één combineert.
Wat betreft optische transmissiekarakteristieken heeft InP-materiaal het grootste transmissieverlies op de chip als gevolg van de absorptie van licht in de veelgebruikte 1550 nm-band. SiO2 en siliciumnitride hebben de beste transmissiekarakteristieken, waarbij het verlies kan oplopen tot ongeveer 0,01 dB/cm. Momenteel kan het golfgeleiderverlies van dunne-film lithiumniobaatgolfgeleiders oplopen tot 0,03 dB/cm, en dit verlies kan in de toekomst verder worden verlaagd door de voortdurende verbetering van de technologie. Daarom zal dunne-film lithiumniobaat goede prestaties leveren voor passieve lichtstructuren zoals fotosynthetische paden, shunts en microringen.
Wat betreft lichtgeneratie heeft alleen InP het vermogen om direct licht uit te zenden; daarom is het voor de toepassing van microgolffotonen noodzakelijk om de op InP gebaseerde lichtbron op de op LNOI gebaseerde fotonische geïntegreerde chip te introduceren door middel van backloading welding of epitaxiale groei. Wat betreft lichtmodulatie is hierboven benadrukt dat dunnefilm lithiumniobaatmaterialen gemakkelijker een grotere modulatiebandbreedte, een lagere halfgolfspanning en een lager transmissieverlies kunnen bereiken dan InP en Si. Bovendien is de hoge lineariteit van de elektro-optische modulatie van dunnefilm lithiumniobaatmaterialen essentieel voor alle microgolffotonentoepassingen.
Wat optische routing betreft, maakt de snelle elektro-optische respons van dunne lithiumniobaatfilms de op LNOI gebaseerde optische schakelaar geschikt voor snelle optische routing-schakeling, met een zeer laag energieverbruik. Voor de typische toepassing van geïntegreerde microgolf-fotontechnologie heeft de optisch gestuurde beamforming-chip de mogelijkheid tot snelle schakeling om te voldoen aan de eisen van snelle bundelscanning, terwijl de ultralage energieconsumptie goed aansluit bij de strenge eisen van grootschalige phased array-systemen. Hoewel de op InP gebaseerde optische schakelaar ook snelle optische padschakeling kan realiseren, introduceert deze veel ruis, vooral wanneer de optische schakelaar in cascade wordt geschakeld, waardoor de ruiscoëfficiënt aanzienlijk verslechtert. Silicium, SiO2 en siliciumnitride kunnen optische paden alleen schakelen via het thermo-optische effect of het dispersie-effect van ladingsdragers, wat de nadelen heeft van een hoog energieverbruik en een trage schakelsnelheid. Bij grote phased array-arrays kan niet aan de eisen op het gebied van energieverbruik worden voldaan.
Wat optische versterking betreft, dehalfgeleider optische versterker (SOADe op InP gebaseerde technologie is al commercieel beschikbaar, maar heeft als nadelen een hoge ruiscoëfficiënt en een laag verzadigingsvermogen, wat niet bevorderlijk is voor de toepassing van microgolffotonen. Het parametrische versterkingsproces van een dunne-film lithiumniobaat-golfgeleider op basis van periodieke activering en inversie kan ruisarme en krachtige optische versterking op de chip realiseren, wat ruimschoots voldoet aan de eisen van geïntegreerde microgolffotonentechnologie voor optische versterking op de chip.
Wat lichtdetectie betreft, heeft de dunne lithiumniobaatfilm goede transmissie-eigenschappen voor licht in de 1550 nm-band. De functie van foto-elektrische conversie kan niet worden gerealiseerd, dus voor microgolffotontoepassingen moeten, om te voldoen aan de eisen van foto-elektrische conversie op de chip, InGaAs- of Ge-Si-detectie-eenheden worden geïntroduceerd op LNOI-gebaseerde fotonische geïntegreerde chips door middel van backloading-lassen of epitaxiale groei. Wat betreft koppeling met optische vezels, omdat de optische vezel zelf van SiO2-materiaal is gemaakt, heeft het modusveld van de SiO2-golfgeleider de hoogste mate van overeenkomst met het modusveld van de optische vezel, waardoor de koppeling het meest gemakkelijk is. De modusvelddiameter van de sterk beperkte golfgeleider van de dunne lithiumniobaatfilm is ongeveer 1 μm, wat aanzienlijk verschilt van het modusveld van de optische vezel, dus moet een geschikte modusspottransformatie worden uitgevoerd om het modusveld van de optische vezel te evenaren.
Wat betreft integratie hangt het hoge integratiepotentieel van verschillende materialen voornamelijk af van de buigradius van de golfgeleider (beïnvloed door de beperking van het golfgeleidermodusveld). Een sterk beperkte golfgeleider maakt een kleinere buigradius mogelijk, wat gunstiger is voor het realiseren van een hoge integratie. Daarom hebben dunne lithiumniobaat-golfgeleiders het potentieel om een hoge integratie te bereiken. De opkomst van dunne lithiumniobaat-films maakt het dus mogelijk dat lithiumniobaat daadwerkelijk de rol van optisch "silicium" kan vervullen. Voor toepassingen met microgolffotonen zijn de voordelen van dunne lithiumniobaat-films nog duidelijker.
Geplaatst op: 23 april 2024