Hoge lineariteitelektro-optische modulatoren microgolffotontoepassing
Met de toenemende eisen aan communicatiesystemen zullen mensen, om de transmissie-efficiëntie van signalen verder te verbeteren, fotonen en elektronen samenvoegen om complementaire voordelen te behalen, en zo zal microgolffotonica ontstaan. De elektro-optische modulator is nodig voor de omzetting van elektriciteit in licht.microgolffotonische systemen, en deze belangrijke stap bepaalt meestal de prestaties van het hele systeem. Aangezien de omzetting van radiofrequentiesignalen naar het optische domein een analoog signaalproces is, en gewoneelektro-optische modulatorenOmdat ze inherent niet-lineair zijn, treedt er ernstige signaalvervorming op tijdens het conversieproces. Om een nagenoeg lineaire modulatie te bereiken, wordt het werkpunt van de modulator meestal vastgesteld op het orthogonale biaspunt. Dit kan echter nog steeds niet voldoen aan de eisen van de microgolffotonenverbinding voor de lineariteit van de modulator. Elektro-optische modulatoren met een hoge lineariteit zijn 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 PN-overgangsmodulatie zijn niet-lineair, waardoor de siliciummodulator minder lineair is dan de lithiumniobaatmodulator. Lithiumniobaatmaterialen vertonen uitstekendeelektro-optische modulatieeigenschappen dankzij hun Pucker-effect. Tegelijkertijd heeft lithiumniobaat de voordelen van een grote bandbreedte, goede modulatie-eigenschappen, laag verlies, eenvoudige integratie en compatibiliteit met halfgeleiderprocessen. Dunnefilmlithiumniobaat wordt gebruikt om hoogwaardige elektro-optische modulatoren te maken, vergeleken met silicium, vrijwel geen "korte plaat", maar bereikt ook een hoge lineariteit. Dunnefilmlithiumniobaat (LNOI) elektro-optische modulatoren op isolatoren zijn een veelbelovende ontwikkelingsrichting geworden. Met de ontwikkeling van technologie voor de voorbereiding van dunnefilmlithiumniobaatmaterialen en technologie voor het etsen van golfgeleiders, zijn de hoge conversie-efficiëntie en hogere integratie van dunnefilmlithiumniobaat elektro-optische modulatoren het gebied geworden van internationale academische en industriële toepassingen.
Kenmerken van dunnefilmlithiumniobaat
In de Verenigde Staten heeft DAP AR Planning de volgende evaluatie van lithiumniobaatmaterialen uitgevoerd: als het centrum van de elektronische revolutie vernoemd is naar het siliciummateriaal dat dit mogelijk maakt, dan is de geboorteplaats van de fotonica-revolutie waarschijnlijk vernoemd naar lithiumniobaat. Dit komt doordat lithiumniobaat het elektro-optische effect, het akoestisch-optische effect, het piëzo-elektrische effect, het thermo-elektrische effect en het fotorefractieve effect in één integreert, net als siliciummaterialen in de optica.
Qua optische transmissie-eigenschappen heeft InP-materiaal het grootste transmissieverlies op de chip, vanwege de absorptie van licht in de veelgebruikte 1550 nm-band. SiO2 en siliciumnitride hebben de beste transmissie-eigenschappen en het verlies kan oplopen tot ~ 0,01 dB/cm; momenteel kan het golfgeleiderverlies van dunnefilm-lithiumniobaatgolfgeleiders oplopen tot 0,03 dB/cm, en het verlies van dunnefilm-lithiumniobaatgolfgeleiders kan in de toekomst verder worden verlaagd door continue technologische verbetering. Daarom zal dunnefilm-lithiumniobaatmateriaal goede prestaties leveren voor passieve lichtstructuren zoals fotosynthetische paden, shunts en microringen.
Wat betreft lichtopwekking heeft alleen InP de mogelijkheid 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-lassen of epitaxiale groei. Wat betreft lichtmodulatie is hierboven benadrukt dat dunnefilmlithiumniobaatmaterialen gemakkelijker een grotere modulatiebandbreedte, lagere halvegolfspanning en lager transmissieverlies bereiken dan InP en Si. Bovendien is de hoge lineariteit van de elektro-optische modulatie van dunnefilmlithiumniobaatmaterialen essentieel voor alle toepassingen met microgolffotonen.
Wat optische routing betreft, maakt de hoge elektro-optische respons van dunnefilmlithiumniobaatmateriaal de op LNOI gebaseerde optische schakelaar geschikt voor snelle optische routingschakeling, en het stroomverbruik van dergelijke snelle schakeling is ook zeer laag. Voor de typische toepassing van geïntegreerde microgolffotontechnologie beschikt de optisch gestuurde beamformingchip over de mogelijkheid tot snelle schakeling om te voldoen aan de behoeften van snelle bundelscanning, en de kenmerken van een extreem laag stroomverbruik zijn goed aangepast aan de strenge eisen van grootschalige phased array-systemen. Hoewel de op InP gebaseerde optische schakelaar ook snelle optische padschakeling kan realiseren, zal deze veel ruis veroorzaken, vooral wanneer de meertraps optische schakelaar in cascade wordt geschakeld; de ruiscoëfficiënt zal dan aanzienlijk verslechteren. Silicium-, SiO2- en siliciumnitridematerialen kunnen optische paden alleen schakelen via het thermo-optische effect of het carrierdispersie-effect, wat de nadelen heeft van een hoog stroomverbruik en een lage schakelsnelheid. Wanneer de arraygrootte van de phased array groot is, kan deze niet voldoen aan de eisen van het stroomverbruik.
Op het gebied van optische versterking is dehalfgeleider optische versterker (SOA) op basis van InP is inmiddels geschikt voor commercieel gebruik, maar heeft de nadelen van een hoge ruiscoëfficiënt en een laag verzadigingsvermogen, wat niet bevorderlijk is voor de toepassing van microgolffotonen. Het parametrische versterkingsproces van dunnefilm-lithiumniobaatgolfgeleiders op basis van periodieke activering en inversie kan een lage ruis en een hoog vermogen optische versterking op de chip bereiken, wat goed voldoet aan de eisen van geïntegreerde microgolffotonentechnologie voor optische versterking op de chip.
Wat betreft lichtdetectie heeft dunnefilmlithiumniobaat goede transmissie-eigenschappen voor licht in de 1550 nm-band. De functie van foto-elektrische conversie kan niet worden gerealiseerd, dus voor microgolffotontoepassingen moeten 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 SiO2-materiaal is, heeft het modeveld van de SiO2-golfgeleider de hoogste mate van overeenstemming met het modeveld van de optische vezel, en is de koppeling het meest geschikt. De modevelddiameter van de sterk beperkte golfgeleider van dunnefilmlithiumniobaat is ongeveer 1 μm, wat aanzienlijk verschilt van het modeveld van de optische vezel, dus moet een juiste modespottransformatie worden uitgevoerd om aan het modeveld van de optische vezel te voldoen.
Wat integratie betreft, hangt de hoge integratiepotentieel van verschillende materialen voornamelijk af van de buigradius van de golfgeleider (beïnvloed door de beperking van het golfgeleidermodusveld). De sterk beperkte golfgeleider maakt een kleinere buigradius mogelijk, wat gunstiger is voor het realiseren van een hoge integratie. Dunnefilm-lithiumniobaatgolfgeleiders hebben daarom de potentie om een hoge integratie te bereiken. De aanwezigheid van dunnefilm-lithiumniobaat maakt het mogelijk dat lithiumniobaatmateriaal echt de rol van optisch "silicium" vervult. Voor de toepassing van microgolffotonen zijn de voordelen van dunnefilm-lithiumniobaat duidelijker.
Plaatsingstijd: 23-04-2024