Korkea lineaarisuussähköoptinen modulaattorija mikroaaltofotonien sovellus
Viestintäjärjestelmien vaatimusten kasvaessa ihmiset yhdistävät fotoneja ja elektroneja saavuttaakseen toisiaan täydentäviä etuja signaalien lähetystehokkuuden parantamiseksi, ja näin syntyy mikroaaltofotoniikka. Sähköoptinen modulaattori on tarpeen sähkön muuntamiseksi valoksimikroaaltofotoniset järjestelmät, ja tämä avainvaihe yleensä määrää koko järjestelmän suorituskyvyn. Koska radiotaajuussignaalin muuntaminen optiseksi alueeksi on analoginen signaaliprosessi ja tavallinensähköoptiset modulaattoritkoska niillä on luontainen epälineaarisuus, muunnosprosessissa esiintyy vakavaa signaalin vääristymää. Lähemmän lineaarisen modulaation saavuttamiseksi modulaattorin toimintapiste on yleensä kiinteä ortogonaalinen esijännitepiste, mutta se ei silti täytä mikroaaltofotonilinkin vaatimuksia modulaattorin lineaarisuudelle. Korkean lineaarisuuden omaavia sähköoptisia modulaattoreita tarvitaan kiireellisesti.
Piimateriaalien nopea taitekertoimen modulointi saavutetaan yleensä vapaan kantajan plasmadispersiovaikutuksella (FCD). Sekä FCD-ilmiö että PN-liitoksen modulointi ovat epälineaarisia, mikä tekee piimodulaattorista vähemmän lineaarisen kuin litiumniobaattimodulaattori. Litiumniobaattimateriaaleilla on erinomaisetsähköoptinen modulaatioominaisuuksia niiden Pucker-ilmiön ansiosta. Samaan aikaan litiumniobaattimateriaalilla on etuna suuri kaistanleveys, hyvät modulointiominaisuudet, pieni häviö, helppo integrointi ja yhteensopivuus puolijohdeprosessien kanssa. Ohutkalvolitiumniobaatin käyttö korkean suorituskyvyn omaavien sähköoptisten modulaattoreiden valmistuksessa piisirun kanssa on lähes olematonta ja samalla saavutetaan korkea lineaarisuus. Eristeellä varustettu ohutkalvolitiumniobaatin (LNOI) sähköoptinen modulaattori on tullut lupaavaksi kehityssuunnaksi. Ohutkalvolitiumniobaattimateriaalin valmistustekniikan ja aaltojohdeetsaustekniikan kehittymisen myötä ohutkalvolitiumniobaatin sähköoptisen modulaattorin korkeasta muuntotehokkuudesta ja paremmasta integroinnista on tullut kansainvälisen akateemisen maailman ja teollisuuden ala.
Ohutkalvoisen litiumniobaatin ominaisuudet
Yhdysvalloissa DAP AR -suunnittelu on tehnyt seuraavan arvion litiumniobaattimateriaaleista: jos elektronisen vallankumouksen keskus on nimetty sen mahdollistavan piimateriaalin mukaan, niin fotoniikan vallankumouksen syntymäpaikka nimetään todennäköisesti litiumniobaatin mukaan. Tämä johtuu siitä, että litiumniobaatti yhdistää sähköoptisen ilmiön, akustis-optisen ilmiön, pietsosähköisen ilmiön, termoelektrisen ilmiön ja fotorefraktiivisen ilmiön yhteen, aivan kuten piimateriaalit optiikan alalla.
Optisten läpäisyominaisuuksien osalta InP-materiaalilla on suurin sirulla tapahtuva läpäisyhäviö yleisesti käytetyn 1550 nm:n kaistan valon absorption vuoksi. SiO2:lla ja piinitridillä on parhaat läpäisyominaisuudet, ja häviö voi olla jopa ~0,01 dB/cm. Tällä hetkellä ohutkalvoisen litiumniobaatti-aaltojohteen aaltojohdehäviö voi olla jopa 0,03 dB/cm, ja ohutkalvoisen litiumniobaatti-aaltojohteen häviötä voidaan mahdollisesti vähentää entisestään teknologian jatkuvan parantamisen myötä tulevaisuudessa. Siksi ohutkalvoinen litiumniobaattimateriaali osoittaa hyvää suorituskykyä passiivisissa valorakenteissa, kuten fotosynteesireiteillä, shunteissa ja mikrorenkaissa.
Valon muodostumisen kannalta vain InP pystyy emittoimaan valoa suoraan; Siksi mikroaaltofotonien soveltamiseksi on välttämätöntä tuoda InP-pohjainen valonlähde LNOI-pohjaiselle fotoniselle integroidulle sirulle takalataushitsauksen tai epitaksiaalisen kasvun avulla. Valon moduloinnin osalta edellä on korostettu, että ohutkalvoisella litiumniobaattimateriaalilla on helpompi saavuttaa suurempi modulaatiokaistanleveys, pienempi puoliaallon jännite ja pienemmät läpäisyhäviöt kuin InP:llä ja Si:llä. Lisäksi ohutkalvoisten litiumniobaattimateriaalien sähköoptisen moduloinnin korkea lineaarisuus on olennaista kaikissa mikroaaltofotonisovelluksissa.
Optisen reitityksen osalta ohutkalvoisen litiumniobaattimateriaalin nopea sähköoptinen vaste tekee LNOI-pohjaisesta optisesta kytkimestä kykenevän nopeaan optiseen reitityskytkentään, ja tällaisen nopean kytkennän virrankulutus on myös erittäin alhainen. Tyypillisessä integroidun mikroaaltofotonitekniikan sovelluksessa optisesti ohjattu säteenmuodostuspiiri pystyy nopeaan kytkentään, mikä vastaa nopean säteen skannauksen tarpeisiin, ja erittäin alhaisen virrankulutuksen ominaisuudet sopivat hyvin suurten vaiheistettujen järjestelmien tiukkoihin vaatimuksiin. Vaikka InP-pohjainen optinen kytkin voi myös toteuttaa nopean optisen reitin kytkennän, se aiheuttaa suurta kohinaa, erityisesti silloin, kun monitasoinen optinen kytkin on kaskadoitu, ja kohinakerroin heikkenee merkittävästi. Pii-, SiO2- ja piinitridimateriaalit voivat vaihtaa optisia reittejä vain termo-optisen vaikutuksen tai kantoaallon dispersiovaikutuksen avulla, minkä haitoina on korkea virrankulutus ja hidas kytkentänopeus. Kun vaiheistetun ryhmän koko on suuri, se ei pysty täyttämään virrankulutusvaatimuksia.
Optisen vahvistuksen kannaltapuolijohdeoptinen vahvistin (Palveluntarjoaja) InP:hen perustuva on kypsä kaupalliseen käyttöön, mutta sen haitoina on korkea kohinakerroin ja alhainen kyllästymislähtöteho, mikä ei edistä mikroaaltofotonien käyttöä. Ohutkalvoisen litiumniobaattiaaltojohteen parametrinen vahvistusprosessi, joka perustuu jaksolliseen aktivointiin ja inversioon, voi saavuttaa alhaisen kohinan ja suuren tehon sirulla tapahtuvan optisen vahvistuksen, mikä voi hyvin täyttää integroidun mikroaaltofotonitekniikan vaatimukset sirulla tapahtuvassa optisessa vahvistuksessa.
Valon havaitsemisen kannalta ohutkalvo litiumniobaatilla on hyvät valonläpäisyominaisuudet 1550 nm:n kaistalla. Valoelektrisen muunnoksen toimintoa ei voida toteuttaa, joten mikroaaltofotonisovelluksissa sirun valoelektrisen muunnoksen tarpeiden täyttämiseksi on otettava käyttöön InGaAs- tai Ge-Si-ilmaisuyksiköt LNOI-pohjaisille fotonisille integroiduille siruille takalataushitsauksella tai epitaksiaalisella kasvulla. Optiseen kuituun kytkennän osalta, koska itse optinen kuitu on SiO2-materiaalia, SiO2-aaltojohteen moodikentällä on korkein vastaavuusaste optisen kuidun moodikentän kanssa, ja kytkentä on kätevin. Ohutkalvo litiumniobaatin voimakkaasti rajoitetun aaltojohteen moodikentän halkaisija on noin 1 μm, mikä on melko erilainen kuin optisen kuidun moodikenttä, joten oikea moodipistemuunnos on suoritettava optisen kuidun moodikentän vastaamiseksi.
Integraation kannalta eri materiaalien korkea integrointipotentiaali riippuu pääasiassa aaltojohtimen taivutussäteestä (johon vaikuttaa aaltojohtimen moodikentän rajoitus). Voimakkaasti rajoitettu aaltojohde mahdollistaa pienemmän taivutussäteen, mikä edistää korkeaa integrointia. Siksi ohutkalvoisilla litiumniobaatilla on potentiaalia saavuttaa korkea integrointi. Siksi ohutkalvoisen litiumniobaatin ulkonäkö mahdollistaa sen, että litiumniobaattimateriaali voi todella toimia optisena "piinä". Mikroaaltofotonien sovelluksissa ohutkalvoisen litiumniobaatin edut ovat ilmeisempiä.
Julkaisun aika: 23. huhtikuuta 2024