Hohe Linearitätelektrooptischer Modulatorund Mikrowellenphotonenanwendung
Mit den steigenden Anforderungen an Kommunikationssysteme werden Photonen und Elektronen verschmelzen, um die Übertragungseffizienz von Signalen weiter zu verbessern und so komplementäre Vorteile zu erzielen. Die Mikrowellenphotonik ist geboren. Der elektrooptische Modulator wird für die Umwandlung von Elektrizität in Licht benötigt.Mikrowellenphotoniksysteme, und dieser Schlüsselschritt bestimmt in der Regel die Leistung des gesamten Systems. Da die Umwandlung von Hochfrequenzsignalen in optische Signale ein analoger Signalprozess ist und gewöhnlicheelektrooptische ModulatorenDa sie eine inhärente Nichtlinearität aufweisen, kommt es im Konvertierungsprozess zu erheblichen Signalverzerrungen. Um eine annähernd lineare Modulation zu erreichen, wird der Arbeitspunkt des Modulators üblicherweise am orthogonalen Arbeitspunkt fixiert. Dies kann jedoch die Anforderungen der Mikrowellen-Photonenverbindung an die Linearität des Modulators nicht erfüllen. Elektrooptische Modulatoren mit hoher Linearität werden dringend benötigt.
Die schnelle Brechungsindexmodulation von Siliziummaterialien wird üblicherweise durch den Free Carrier Plasma Dispersion (FCD)-Effekt erreicht. Sowohl der FCD-Effekt als auch die PN-Übergangsmodulation sind nichtlinear, wodurch der Siliziummodulator weniger linear ist als der Lithiumniobatmodulator. Lithiumniobatmaterialien weisen hervorragendeelektrooptische ModulationEigenschaften aufgrund ihres Pucker-Effekts. Gleichzeitig bietet Lithiumniobat die Vorteile einer großen Bandbreite, guter Modulationseigenschaften, geringer Verluste, einfacher Integration und Kompatibilität mit Halbleiterprozessen. Die Verwendung von Dünnschicht-Lithiumniobat zur Herstellung leistungsstarker elektrooptischer Modulatoren ermöglicht im Vergleich zu Silizium nahezu keine „Short Plate“ und erreicht gleichzeitig eine hohe Linearität. Dünnschicht-Lithiumniobat-Elektro-Optik-Modulatoren (LNOI) auf Isolatoren haben sich zu einer vielversprechenden Entwicklungsrichtung entwickelt. Mit der Entwicklung der Herstellungstechnologie für Dünnschicht-Lithiumniobat und der Wellenleiter-Ätztechnologie sind die hohe Umwandlungseffizienz und die höhere Integration von Dünnschicht-Lithiumniobat-Elektro-Optik-Modulatoren zu einem wichtigen Forschungsgebiet in der internationalen Wissenschaft und Industrie geworden.
Eigenschaften von Dünnschicht-Lithiumniobat
In den USA hat DAP AR Planning Lithiumniobat-Materialien wie folgt bewertet: Wenn das Zentrum der elektronischen Revolution nach dem Siliziummaterial benannt ist, das sie ermöglicht, dann dürfte auch die Geburtsstätte der photonischen Revolution nach Lithiumniobat benannt sein. Denn Lithiumniobat vereint elektrooptische, akustooptische, piezoelektrische, thermoelektrische und photorefraktive Effekte in sich – genau wie Siliziummaterialien in der Optik.
In Bezug auf die optischen Übertragungseigenschaften weist InP-Material aufgrund der Lichtabsorption im üblicherweise verwendeten 1550-nm-Band den höchsten On-Chip-Übertragungsverlust auf. SiO₂ und Siliziumnitrid weisen die besten Übertragungseigenschaften auf, wobei der Verlust bis zu ca. 0,01 dB/cm betragen kann. Der Wellenleiterverlust von Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleitern liegt derzeit bei 0,03 dB/cm und kann durch die kontinuierliche Weiterentwicklung des technologischen Niveaus zukünftig weiter reduziert werden. Daher eignet sich Dünnschicht-Lithiumniobat gut für passive Lichtstrukturen wie Photosynthesepfade, Shunts und Mikroringe.
Zur Lichterzeugung kann nur InP Licht direkt emittieren. Daher ist es für die Anwendung von Mikrowellenphotonen notwendig, die InP-basierte Lichtquelle mittels Backloading-Schweißen oder epitaktischem Wachstum auf dem LNOI-basierten photonischen integrierten Chip zu platzieren. Bezüglich der Lichtmodulation wurde bereits betont, dass sich mit Dünnschicht-Lithiumniobat-Materialien im Vergleich zu InP und Si eine größere Modulationsbandbreite, eine niedrigere Halbwellenspannung und geringere Übertragungsverluste erreichen lassen. Darüber hinaus ist die hohe Linearität der elektrooptischen Modulation von Dünnschicht-Lithiumniobat-Materialien für alle Mikrowellenphotonenanwendungen unerlässlich.
Im Bereich der optischen Leitweglenkung ermöglicht die schnelle elektrooptische Reaktion des dünnschichtigen Lithiumniobatmaterials dem LNOI-basierten optischen Schalter schnelle optische Leitweglenkung bei gleichzeitig sehr geringem Stromverbrauch. Für typische Anwendungen der integrierten Mikrowellenphotonentechnologie ermöglicht der optisch gesteuerte Strahlformungschip schnelles Schalten, um die Anforderungen einer schnellen Strahlabtastung zu erfüllen. Der extrem niedrige Stromverbrauch ist optimal auf die hohen Anforderungen großflächiger Phased-Array-Systeme abgestimmt. Obwohl auch InP-basierte optische Schalter schnelle optische Pfadumschaltungen ermöglichen, entstehen dabei hohe Rauschwerte, insbesondere bei kaskadierter Anordnung mehrstufiger optischer Schalter, wodurch der Rauschkoeffizient deutlich verschlechtert wird. Silizium-, SiO₂- und Siliziumnitridmaterialien können optische Pfade nur durch den thermooptischen Effekt oder den Ladungsträgerdispersionseffekt schalten, was zu einem hohen Stromverbrauch und einer langsamen Schaltgeschwindigkeit führt. Bei großen Array-Größen kann das Phased-Array den Stromverbrauch nicht decken.
In Bezug auf die optische Verstärkung ist dieoptischer Halbleiterverstärker (SOA) auf InP-Basis ist für den kommerziellen Einsatz ausgereift, weist jedoch die Nachteile eines hohen Rauschkoeffizienten und einer geringen Sättigungsausgangsleistung auf, was der Anwendung von Mikrowellenphotonen nicht förderlich ist. Der parametrische Verstärkungsprozess eines Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleiters basierend auf periodischer Aktivierung und Inversion kann eine optische Verstärkung auf dem Chip mit geringem Rauschen und hoher Leistung erzielen, die den Anforderungen der integrierten Mikrowellenphotonentechnologie für die optische Verstärkung auf dem Chip gut gerecht wird.
In Bezug auf die Lichterkennung weist der dünne Film aus Lithiumniobat gute Übertragungseigenschaften für Licht im 1550-nm-Band auf. Die Funktion der photoelektrischen Umwandlung kann nicht realisiert werden. Um für Mikrowellenphotonenanwendungen die Anforderungen der photoelektrischen Umwandlung auf dem Chip zu erfüllen, müssen InGaAs- oder Ge-Si-Erkennungseinheiten durch Backloading-Schweißen oder epitaktisches Wachstum auf LNOI-basierten photonischen integrierten Chips implementiert werden. In Bezug auf die Kopplung mit Glasfasern weist das Modenfeld des SiO2-Wellenleiters den höchsten Anpassungsgrad an das Modenfeld der Glasfaser auf, da die Glasfaser selbst aus SiO2-Material besteht, und die Kopplung ist am bequemsten. Der Modenfelddurchmesser des stark eingeschränkten Wellenleiters aus dünnem Lithiumniobat beträgt etwa 1 μm und unterscheidet sich damit stark vom Modenfeld der Glasfaser. Daher muss eine geeignete Modenpunkttransformation durchgeführt werden, um eine Anpassung an das Modenfeld der Glasfaser zu erreichen.
Ob verschiedene Materialien ein hohes Integrationspotenzial haben, hängt im Hinblick auf die Integration hauptsächlich vom Biegeradius des Wellenleiters ab (beeinflusst durch die Begrenzung des Wellenleitermodenfeldes). Ein stark eingeschränkter Wellenleiter ermöglicht einen kleineren Biegeradius, was eine hohe Integration begünstigt. Daher bieten Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleiter das Potenzial für eine hohe Integration. Das Aufkommen von Dünnschicht-Lithiumniobat ermöglicht es Lithiumniobat, die Rolle von optischem „Silizium“ zu übernehmen. Bei der Anwendung von Mikrowellenphotonen liegen die Vorteile von Dünnschicht-Lithiumniobat deutlich auf der Hand.
Veröffentlichungszeit: 23. April 2024