Hohe Linearitätelektrooptischer Modulatorund Mikrowellenphotonenanwendung
Angesichts der steigenden Anforderungen an Kommunikationssysteme und dem Bestreben, die Übertragungseffizienz von Signalen weiter zu verbessern, werden Photonen und Elektronen kombiniert, um komplementäre Vorteile zu erzielen – die Mikrowellenphotonik ist geboren. Für die Umwandlung von Elektrizität in Licht wird ein elektrooptischer Modulator benötigt.Mikrowellenphotonische SystemeDieser entscheidende Schritt bestimmt in der Regel die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems. Da die Umwandlung eines Hochfrequenzsignals in den optischen Bereich ein analoger Signalverarbeitungsprozess ist, …elektrooptische ModulatorenAufgrund ihrer inhärenten Nichtlinearität treten im Wandlungsprozess erhebliche Signalverzerrungen auf. Um eine annähernd lineare Modulation zu erreichen, wird der Arbeitspunkt des Modulators üblicherweise auf den orthogonalen Arbeitspunkt festgelegt. Dies genügt jedoch nicht den Anforderungen an die Linearität des Modulators für Mikrowellen-Photonen-Übertragungen. Daher besteht ein dringender Bedarf an elektrooptischen Modulatoren mit hoher Linearität.
Die schnelle Brechungsindexmodulation von Siliziummaterialien wird üblicherweise durch den Effekt der freien Ladungsträger-Plasmadispersion (FCD) erreicht. Sowohl der FCD-Effekt als auch die Modulation an PN-Übergängen sind nichtlinear, wodurch Siliziummodulatoren weniger linear als Lithiumniobat-Modulatoren sind. Lithiumniobat-Materialien weisen hervorragende Eigenschaften auf.elektrooptische ModulationAufgrund ihres Pucker-Effekts weisen sie besondere Eigenschaften auf. Lithiumniobat zeichnet sich zudem durch große Bandbreite, gute Modulationseigenschaften, geringe Verluste, einfache Integration und Kompatibilität mit Halbleiterprozessen aus. Der Einsatz von Lithiumniobat-Dünnschichten zur Herstellung leistungsstarker elektrooptischer Modulatoren führt im Vergleich zu Silizium zu nahezu keinem „Kurzschluss“ und ermöglicht zudem eine hohe Linearität. Dünnschicht-Lithiumniobat-(LNOI)-Modulatoren auf Isolatoren haben sich daher zu einem vielversprechenden Entwicklungsfeld entwickelt. Mit der Weiterentwicklung der Herstellungstechnologie für Lithiumniobat-Dünnschichten und der Ätztechnologie für Wellenleiter sind die hohe Konversionseffizienz und die verbesserte Integration dieser Modulatoren zu einem wichtigen Forschungsgebiet in Wissenschaft und Industrie geworden.
Eigenschaften von Lithiumniobat-Dünnschichten
In den USA hat die DAP-AR-Planung folgende Bewertung von Lithiumniobat-Materialien vorgenommen: Wenn das Zentrum der elektronischen Revolution nach dem Siliziummaterial benannt ist, das sie ermöglicht, dann wird der Geburtsort der Photonik-Revolution wahrscheinlich nach Lithiumniobat benannt werden. Dies liegt daran, dass Lithiumniobat – ähnlich wie Siliziummaterialien im Bereich der Optik – elektrooptische, akustooptische, piezoelektrische, thermoelektrische und photorefraktive Effekte in einem Material vereint.
Hinsichtlich der optischen Übertragungseigenschaften weist InP aufgrund der Lichtabsorption im häufig genutzten 1550-nm-Band die größten Übertragungsverluste auf dem Chip auf. SiO₂ und Siliziumnitrid bieten die besten Übertragungseigenschaften mit Verlusten von bis zu ~0,01 dB/cm. Derzeit erreichen die Wellenleiterverluste von Lithiumniobat-Dünnschichtwellenleitern Werte von bis zu 0,03 dB/cm und lassen sich durch die kontinuierliche Verbesserung des technologischen Niveaus zukünftig potenziell weiter reduzieren. Daher eignet sich Lithiumniobat-Dünnschichtmaterial hervorragend für passive Lichtstrukturen wie Photosynthesepfade, Shunts und Mikroringe.
Hinsichtlich der Lichterzeugung besitzt nur InP die Fähigkeit zur direkten Lichtemission. Daher ist es für die Anwendung von Mikrowellenphotonen notwendig, die InP-basierte Lichtquelle mittels Backloading-Schweißen oder epitaxialem Wachstum auf dem LNOI-basierten photonischen integrierten Chip zu integrieren. Bezüglich der Lichtmodulation wurde bereits hervorgehoben, dass Lithiumniobat-Dünnschichten im Vergleich zu InP und Si eine größere Modulationsbandbreite, eine niedrigere Halbwellenspannung und geringere Transmissionsverluste ermöglichen. Darüber hinaus ist die hohe Linearität der elektrooptischen Modulation von Lithiumniobat-Dünnschichten für alle Mikrowellenphotonenanwendungen essenziell.
Im Bereich des optischen Routings ermöglicht die hohe elektrooptische Ansprechgeschwindigkeit von Lithiumniobat-Dünnschichten (LNOI) schnelle optische Pfadumschaltungen mit geringem Stromverbrauch. Für typische Anwendungen der integrierten Mikrowellenphotonik eignet sich der optisch gesteuerte Beamforming-Chip aufgrund seiner hohen Schaltgeschwindigkeit für schnelles Strahlscanning und seines extrem niedrigen Stromverbrauchs ideal für großflächige Phased-Array-Systeme. Obwohl auch InP-basierte optische Schalter schnelle optische Pfadumschaltungen ermöglichen, führen sie zu starkem Rauschen, insbesondere bei Kaskadierung mehrerer Schalter. Silizium, SiO₂ und Siliziumnitrid schalten optische Pfade lediglich über den thermooptischen Effekt oder die Ladungsträgerdispersion, was zu hohem Stromverbrauch und geringer Schaltgeschwindigkeit führt. Bei großen Phased-Array-Arrays können die Anforderungen an den Stromverbrauch daher nicht erfüllt werden.
Im Hinblick auf die optische Verstärkung,Halbleiter-Lichtverstärker (SOAAuf InP basierende Technologien sind zwar für den kommerziellen Einsatz ausgereift, weisen jedoch Nachteile wie einen hohen Rauschkoeffizienten und eine geringe Sättigungsausgangsleistung auf, was für die Anwendung von Mikrowellenphotonen ungünstig ist. Die parametrische Verstärkung von Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleitern mittels periodischer Aktivierung und Inversion ermöglicht eine rauscharme und leistungsstarke optische Verstärkung auf einem Chip und erfüllt somit die Anforderungen der integrierten Mikrowellenphotonentechnologie für die optische Verstärkung auf einem Chip.
Im Hinblick auf die Lichtdetektion weist Lithiumniobat-Dünnschichtmaterial gute Transmissionseigenschaften im 1550-nm-Band auf. Da eine photoelektrische Umwandlung nicht möglich ist, müssen für Anwendungen im Mikrowellenbereich InGaAs- oder Ge-Si-Detektionseinheiten mittels Backloading-Schweißen oder Epitaxie auf LNOI-basierten photonischen integrierten Chips integriert werden, um die Anforderungen an die photoelektrische Umwandlung auf dem Chip zu erfüllen. Die Integration erfolgt durch Backloading-Schweißen oder Epitaxie. Da optische Fasern selbst aus SiO₂ bestehen, ist die Modenfeldanpassung des SiO₂-Wellenleiters an das Modenfeld der optischen Faser am einfachsten. Der Modenfelddurchmesser des stark eingeschränkten Wellenleiters aus Lithiumniobat-Dünnschichtmaterial beträgt etwa 1 μm und unterscheidet sich deutlich vom Modenfeld der optischen Faser. Daher ist eine geeignete Modenfeldtransformation erforderlich, um die Modenfeldanpassung an die optische Faser zu erreichen.
Hinsichtlich der Integration hängt das hohe Integrationspotenzial verschiedener Materialien hauptsächlich vom Biegeradius des Wellenleiters ab (beeinflusst durch die Begrenzung des Wellenleitermodenfelds). Ein stark eingeschränkter Wellenleiter ermöglicht einen kleineren Biegeradius, was die Realisierung einer hohen Integration begünstigt. Daher besitzen Lithiumniobat-Dünnschichtwellenleiter das Potenzial, eine hohe Integration zu erreichen. Die Verfügbarkeit von Lithiumniobat-Dünnschichten ermöglicht es diesem Material somit, die Rolle von optischem „Silizium“ zu übernehmen. Für Anwendungen mit Mikrowellenphotonen sind die Vorteile von Lithiumniobat-Dünnschichten besonders deutlich.
Veröffentlichungsdatum: 23. April 2024