Johdatus rakenteeseen ja suorituskykyynOhutkalvoinen litiumniobaattielektrooptinen modulaattori
An sähköoptinen modulaattoriperustuu ohutkalvoisen litiumniobaatin eri rakenteisiin, aallonpituuksiin ja alustoihin sekä erityyppisten materiaalien kattavaan suorituskyvyn vertailuunEOM-modulaattoritsekä analyysi tutkimuksesta ja soveltamisestaohutkalvoiset litiumniobaattimodulaattoritmuilla aloilla.
1. Ei-resonoiva ontelo-ohutkalvo litiumniobaattimodulaattori
Tämän tyyppinen modulaattori perustuu litiumniobaattikiteen erinomaiseen sähköoptiseen vaikutukseen ja on keskeinen laite nopean ja pitkän kantaman optisen viestinnän saavuttamiseksi. Sillä on kolme päärakennetta:
1.1 Kulkuaaltoelektrodiin perustuva MZI-modulaattori: Tämä on tyypillisin rakenne. Harvardin yliopiston Lon čar -tutkimusryhmä kehitti ensimmäisen tehokkaan version vuonna 2018, ja sitä on myöhemmin parannettu muun muassa kvartsialustalle perustuvalla kapasitiivisella kuormituksella (suuri kaistanleveys, mutta ei yhteensopiva piipohjaisten kanssa) ja piipohjaisella yhteensopivalla alustan onttoon rakenteeseen perustuen, mikä mahdollistaa suuren kaistanleveyden (>67 GHz) ja nopean signaalinsiirron (kuten 112 Gbit/s PAM4).
1.2 Taittuva MZI-modulaattori: Laitteen koon lyhentämiseksi ja kompaktien moduulien, kuten QSFP-DD:n, kanssa yhteensopimiseksi käytetään polarisaatiokäsittelyä, ristiaaltojohdinta tai käänteisiä mikrorakenneelektrodeja, joilla laitteen pituus puolitetaan ja saavutetaan 60 GHz:n kaistanleveys.
1.3 Yksi-/kaksoispolarisaatioon perustuva koherentti ortogonaalinen (IQ) modulaattori: Käyttää korkeamman asteen modulaatioformaattia lähetysnopeuden parantamiseksi. Sun Yat-senin yliopiston Cai-tutkimusryhmä saavutti ensimmäisen sirulle sijoitetun yksipolarisaatioon perustuvan IQ-modulaattorin vuonna 2020. Tulevaisuudessa kehitetyllä kaksoispolarisaatioon perustuvalla IQ-modulaattorilla on parempi suorituskyky, ja kvartsialustalle perustuva versio on tehnyt yhden aallonpituuden lähetysnopeusennätyksen 1,96 Tbit/s.
2. Resonanssiontelotyyppinen ohutkalvoinen litiumniobaattimodulaattori
Erittäin pienten ja suurten kaistanleveyksien modulaattoreiden saavuttamiseksi on saatavilla erilaisia resonoivia ontelorakenteita:
2.1 Fotoninen kide (PC) ja mikrorengasmodulaattori: Linin tutkimusryhmä Rochesterin yliopistossa on kehittänyt ensimmäisen tehokkaan fotonisen kidemodulaattorin. Lisäksi on ehdotettu piilitiumniobaatin heterogeeniseen ja homogeeniseen integrointiin perustuvia mikrorengasmodulaattoreita, joilla saavutetaan useiden GHz:ien kaistanleveydet.
2.2 Bragg-hilaan perustuva resonanssiontelomodulaattori: sisältää Fabry-Perot (FP) -ontelon, aaltojohde-Bragg-hilan (WBG) ja hitaan valon (SL) modulaattorin. Nämä rakenteet on suunniteltu tasapainottamaan kokoa, prosessitoleransseja ja suorituskykyä. Esimerkiksi 2 × 2 FP -resonanssiontelomodulaattori saavuttaa erittäin suuren, yli 110 GHz:n kaistanleveyden. Kytkettyyn Bragg-hilaan perustuva hitaan valon modulaattori laajentaa työskentelykaistanleveysaluetta.
3. Heterogeeninen integroitu ohutkalvoinen litiumniobaattimodulaattori
CMOS-teknologian yhteensopivuuden piipohjaisilla alustoilla ja litiumniobaatin erinomaisen modulointikyvyn yhdistämiseksi on kolme pääasiallista integrointimenetelmää:
3.1 Heterogeeninen integrointi sidoksella: Sidomalla suoraan bentsosyklobuteeniin (BCB) tai piidioksidiin ohutkalvoinen litiumniobaatti siirretään pii- tai piinitridialustalle, jolloin saavutetaan kiekkotasoinen ja korkeassa lämpötilassa vakaa integrointi. Modulaattorilla on suuri kaistanleveys (>70 GHz, jopa yli 110 GHz) ja nopea signaalinsiirtokyky.
3.2 Aaltojohdinmateriaalin heterogeeninen integrointi: piin tai piinitridin kerrostaminen ohutkalvolitiumniobaatille kuormitusaaltojohtimena saavuttaa myös tehokkaan sähköoptisen modulaation.
3.3 Mikrosiirtotulostuksen (μTP) heterogeeninen integrointi: Tätä tekniikkaa odotetaan käytettävän laajamittaisessa tuotannossa, jossa esivalmistettuja toiminnallisia laitteita siirretään kohdesiruille erittäin tarkkojen laitteiden avulla, välttäen monimutkaista jälkikäsittelyä. Sitä on sovellettu onnistuneesti piinitridiin ja piipohjaisiin alustoihin, ja siinä on saavutettu kymmenien GHz:ien kaistanleveydet.
Yhteenvetona voidaan todeta, että tässä artikkelissa hahmotellaan systemaattisesti ohutkalvoisiin litiumniobaattialustoihin perustuvien elektro-optisten modulaattoreiden teknologinen etenemissuunnitelma, aina korkean suorituskyvyn ja suuren kaistanleveyden ei-resonoivien ontelorakenteiden tavoittelusta miniatyrisoitujen resonoivien ontelorakenteiden tutkimiseen ja integrointiin kypsiin piipohjaisiin fotonisiin alustoihin. Se osoittaa ohutkalvoisten litiumniobaattimodulaattoreiden valtavan potentiaalin ja jatkuvan kehityksen perinteisten modulaattoreiden suorituskykyyn liittyvien pullonkaulojen murtamisessa ja nopean optisen tiedonsiirron saavuttamisessa.
Julkaisun aika: 31.3.2026