Modulator elektro-optik litium niobate filem nipis bersepadu yang lebih tinggi

Kelinearan tinggimodulator elektro-optikdan aplikasi foton gelombang mikro
Dengan keperluan sistem komunikasi yang semakin meningkat, untuk meningkatkan lagi kecekapan penghantaran isyarat, orang ramai akan menggabungkan foton dan elektron untuk mencapai kelebihan yang saling melengkapi, dan fotonik gelombang mikro akan dilahirkan. Modulator elektro-optik diperlukan untuk penukaran elektrik kepada cahaya dalamsistem fotonik gelombang mikro, dan langkah utama ini biasanya menentukan prestasi keseluruhan sistem. Memandangkan penukaran isyarat frekuensi radio kepada domain optik merupakan proses isyarat analog, dan biasamodulator elektro-optikmempunyai ketaklinearan yang wujud, terdapat herotan isyarat yang serius dalam proses penukaran. Untuk mencapai modulasi linear anggaran, titik operasi modulator biasanya ditetapkan pada titik bias ortogon, tetapi ia masih tidak dapat memenuhi keperluan pautan foton gelombang mikro untuk kelinearan modulator. Modulator elektro-optik dengan kelinearan yang tinggi amat diperlukan.

Modulasi indeks biasan berkelajuan tinggi bahan silikon biasanya dicapai melalui kesan penyebaran plasma pembawa bebas (FCD). Kedua-dua kesan FCD dan modulasi simpang PN adalah tak linear, yang menjadikan modulator silikon kurang linear daripada modulator litium niobate. Bahan litium niobate mempamerkan prestasi yang sangat baik.modulasi elektro-optiksifatnya disebabkan oleh kesan Puckernya. Pada masa yang sama, bahan litium niobate mempunyai kelebihan lebar jalur yang besar, ciri modulasi yang baik, kehilangan yang rendah, penyepaduan yang mudah dan keserasian dengan proses semikonduktor, penggunaan litium niobate filem nipis untuk membuat modulator elektro-optik berprestasi tinggi, berbanding dengan silikon hampir tiada "plat pendek", tetapi juga untuk mencapai kelinearan yang tinggi. Modulator elektro-optik litium niobate filem nipis (LNOI) pada penebat telah menjadi hala tuju pembangunan yang menjanjikan. Dengan perkembangan teknologi penyediaan bahan litium niobate filem nipis dan teknologi pengukiran pandu gelombang, kecekapan penukaran yang tinggi dan penyepaduan yang lebih tinggi bagi modulator elektro-optik litium niobate filem nipis telah menjadi bidang akademik dan industri antarabangsa.

Ciri-ciri litium niobate filem nipis
Di Amerika Syarikat, perancangan DAP AR telah membuat penilaian berikut terhadap bahan litium niobate: jika pusat revolusi elektronik dinamakan sempena bahan silikon yang memungkinkannya, maka tempat kelahiran revolusi fotonik kemungkinan besar akan dinamakan sempena litium niobate. Ini kerana litium niobate menggabungkan kesan elektro-optik, kesan akusto-optik, kesan piezoelektrik, kesan termoelektrik dan kesan fotorefraktif dalam satu bahan, sama seperti bahan silikon dalam bidang optik.

Dari segi ciri penghantaran optik, bahan InP mempunyai kehilangan penghantaran atas cip terbesar disebabkan oleh penyerapan cahaya dalam jalur 1550nm yang biasa digunakan. SiO2 dan silikon nitrida mempunyai ciri penghantaran terbaik, dan kehilangannya boleh mencapai tahap ~ 0.01dB/cm; Pada masa ini, kehilangan pandu gelombang pandu gelombang litium niobate filem nipis boleh mencapai tahap 0.03dB/cm, dan kehilangan pandu gelombang litium niobate filem nipis berpotensi untuk dikurangkan lagi dengan peningkatan berterusan tahap teknologi pada masa hadapan. Oleh itu, bahan litium niobate filem nipis akan menunjukkan prestasi yang baik untuk struktur cahaya pasif seperti laluan fotosintesis, shunt dan mikroring.

Dari segi penjanaan cahaya, hanya InP yang mempunyai keupayaan untuk memancarkan cahaya secara langsung; Oleh itu, untuk aplikasi foton gelombang mikro, adalah perlu untuk memperkenalkan sumber cahaya berasaskan InP pada cip bersepadu fotonik berasaskan LNOI melalui kimpalan pemuatan balik atau pertumbuhan epitaksi. Dari segi modulasi cahaya, telah ditekankan di atas bahawa bahan niobate litium filem nipis lebih mudah untuk mencapai lebar jalur modulasi yang lebih besar, voltan separuh gelombang yang lebih rendah dan kehilangan penghantaran yang lebih rendah daripada InP dan Si. Selain itu, kelinearan tinggi modulasi elektro-optik bahan niobate litium filem nipis adalah penting untuk semua aplikasi foton gelombang mikro.

Dari segi penghalaan optik, tindak balas elektro-optik berkelajuan tinggi bagi bahan niobate litium filem nipis menjadikan suis optik berasaskan LNOI mampu menukar penghalaan optik berkelajuan tinggi, dan penggunaan kuasa pensuisan berkelajuan tinggi tersebut juga sangat rendah. Untuk aplikasi tipikal teknologi foton gelombang mikro bersepadu, cip pembentukan pancaran yang dikawal secara optik mempunyai keupayaan pensuisan berkelajuan tinggi untuk memenuhi keperluan pengimbasan pancaran pantas, dan ciri-ciri penggunaan kuasa ultra rendah disesuaikan dengan keperluan ketat sistem tatasusunan berfasa berskala besar. Walaupun suis optik berasaskan InP juga boleh merealisasikan pensuisan laluan optik berkelajuan tinggi, ia akan memperkenalkan hingar yang besar, terutamanya apabila suis optik berbilang aras dilaraskan, pekali hingar akan merosot dengan ketara. Bahan silikon, SiO2 dan silikon nitrida hanya boleh menukar laluan optik melalui kesan termo-optik atau kesan penyebaran pembawa, yang mempunyai kelemahan penggunaan kuasa yang tinggi dan kelajuan pensuisan yang perlahan. Apabila saiz tatasusunan tatasusunan berfasa besar, ia tidak dapat memenuhi keperluan penggunaan kuasa.

Dari segi amplifikasi optik,penguat optik semikonduktor (SOA) berdasarkan InP telah matang untuk kegunaan komersial, tetapi ia mempunyai kelemahan pekali hingar yang tinggi dan kuasa output tepu yang rendah, yang tidak kondusif untuk aplikasi foton gelombang mikro. Proses penguatan parametrik pandu gelombang litium niobate filem nipis berdasarkan pengaktifan dan penyongsangan berkala boleh mencapai hingar yang rendah dan penguatan optik atas cip berkuasa tinggi, yang boleh memenuhi keperluan teknologi foton gelombang mikro bersepadu untuk penguatan optik atas cip.

Dari segi pengesanan cahaya, niobate litium filem nipis mempunyai ciri-ciri penghantaran yang baik kepada cahaya dalam jalur 1550 nm. Fungsi penukaran fotoelektrik tidak dapat direalisasikan, jadi untuk aplikasi foton gelombang mikro, untuk memenuhi keperluan penukaran fotoelektrik pada cip, unit pengesanan InGaAs atau Ge-Si perlu diperkenalkan pada cip bersepadu fotonik berasaskan LNOI melalui kimpalan pemuatan balik atau pertumbuhan epitaksi. Dari segi gandingan dengan gentian optik, kerana gentian optik itu sendiri adalah bahan SiO2, medan mod pandu gelombang SiO2 mempunyai darjah padanan tertinggi dengan medan mod gentian optik, dan gandingannya adalah yang paling mudah. ​​Diameter medan mod pandu gelombang yang sangat terhad bagi niobate litium filem nipis adalah kira-kira 1μm, yang agak berbeza daripada medan mod gentian optik, jadi transformasi titik mod yang betul mesti dijalankan untuk memadankan medan mod gentian optik.

Dari segi integrasi, sama ada pelbagai bahan mempunyai potensi integrasi yang tinggi bergantung terutamanya pada jejari lenturan pandu gelombang (yang dipengaruhi oleh batasan medan mod pandu gelombang). Pandu gelombang yang sangat terhad membolehkan jejari lenturan yang lebih kecil, yang lebih kondusif untuk merealisasikan integrasi yang tinggi. Oleh itu, pandu gelombang litium niobate filem nipis berpotensi untuk mencapai integrasi yang tinggi. Oleh itu, penampilan litium niobate filem nipis membolehkan bahan litium niobate benar-benar memainkan peranan sebagai "silikon" optik. Untuk aplikasi foton gelombang mikro, kelebihan litium niobate filem nipis adalah lebih jelas.