Höher integrierter elektrooptischer Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator

Hohe LinearitätElektrooptischer Modulatorund Mikrowellenphotonenanwendung
Mit den steigenden Anforderungen an Kommunikationssysteme werden Menschen Photonen und Elektronen verschmelzen, um komplementäre Vorteile zu erzielen, um die Übertragungseffizienz von Signalen weiter zu verbessern, und die Mikrowellenphotonik wird geboren. Der elektrooptische Modulator wird für die Umwandlung von Elektrizität in Licht benötigtPhotonische Mikrowellensysteme, und dieser Schlüsselschritt bestimmt normalerweise die Leistung des gesamten Systems. Da es sich bei der Umwandlung eines Hochfrequenzsignals in einen optischen Bereich um einen analogen Signalprozess handelt, der gewöhnlich istElektrooptische ModulatorenDa sie eine inhärente Nichtlinearität aufweisen, kommt es bei der Konvertierung zu erheblichen Signalverzerrungen. Um eine annähernd lineare Modulation zu erreichen, wird der Betriebspunkt des Modulators normalerweise auf den orthogonalen Vorspannungspunkt festgelegt, er kann jedoch immer noch nicht die Anforderungen der Mikrowellen-Photonenverbindung an die Linearität des Modulators erfüllen. Elektrooptische Modulatoren mit hoher Linearität werden dringend benötigt.

Die Hochgeschwindigkeitsmodulation des Brechungsindex von Siliziummaterialien wird normalerweise durch den Effekt der freien Trägerplasmadispersion (FCD) erreicht. Sowohl der FCD-Effekt als auch die PN-Übergangsmodulation sind nichtlinear, wodurch der Siliziummodulator weniger linear ist als der Lithiumniobatmodulator. Lithiumniobat-Materialien weisen eine hervorragende Leistung aufelektrooptische ModulationEigenschaften aufgrund ihres Pucker-Effekts. Gleichzeitig bietet Lithiumniobat-Material im Vergleich zu Silizium die Vorteile einer großen Bandbreite, guter Modulationseigenschaften, geringer Verluste, einfacher Integration und Kompatibilität mit Halbleiterprozessen sowie der Verwendung von Dünnschicht-Lithiumniobat zur Herstellung eines leistungsstarken elektrooptischen Modulators fast keine „kurze Platte“, sondern auch eine hohe Linearität zu erreichen. Der elektrooptische Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator (LNOI) auf einem Isolator hat sich zu einer vielversprechenden Entwicklungsrichtung entwickelt. Mit der Entwicklung der Dünnschicht-Lithiumniobat-Materialvorbereitungstechnologie und der Wellenleiter-Ätztechnologie ist die hohe Umwandlungseffizienz und höhere Integration des elektrooptischen Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulators zum Bereich der internationalen Wissenschaft und Industrie geworden.

Eigenschaften von Dünnschicht-Lithiumniobat
In den Vereinigten Staaten hat DAP AR Planning die folgende Bewertung von Lithiumniobat-Materialien vorgenommen: Wenn das Zentrum der elektronischen Revolution nach dem Siliziummaterial benannt ist, das dies ermöglicht, dann wird der Geburtsort der photonischen Revolution wahrscheinlich nach Lithiumniobat benannt . Denn Lithiumniobat vereint elektrooptischen Effekt, akustooptischen Effekt, piezoelektrischen Effekt, thermoelektrischen Effekt und photorefraktiven Effekt in einem, genau wie Siliziummaterialien im Bereich der Optik.

In Bezug auf die optischen Übertragungseigenschaften weist InP-Material aufgrund der Absorption von Licht im üblicherweise verwendeten 1550-nm-Band den größten Übertragungsverlust auf dem Chip auf. SiO2 und Siliziumnitrid haben die besten Übertragungseigenschaften und der Verlust kann das Niveau von ~ 0,01 dB/cm erreichen; Gegenwärtig kann der Wellenleiterverlust von Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleitern ein Niveau von 0,03 dB/cm erreichen, und der Verlust von Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleitern kann durch die kontinuierliche Verbesserung des technologischen Niveaus weiter reduziert werden Zukunft. Daher zeigt das Dünnfilm-Lithiumniobat-Material eine gute Leistung für passive Lichtstrukturen wie Photosynthesepfade, Shunts und Mikroringe.

Hinsichtlich der Lichterzeugung ist nur InP in der Lage, Licht direkt auszusenden; Daher ist es für die Anwendung von Mikrowellenphotonen notwendig, die InP-basierte Lichtquelle auf dem LNOI-basierten photonischen integrierten Chip durch Backloading-Schweißen oder epitaktisches Wachstum einzuführen. Im Hinblick auf die Lichtmodulation wurde oben betont, dass sich mit Dünnschicht-Lithiumniobat-Material leichter eine größere Modulationsbandbreite, eine niedrigere Halbwellenspannung und ein geringerer Übertragungsverlust erzielen lassen als mit InP und Si. Darüber hinaus ist die hohe Linearität der elektrooptischen Modulation von Dünnschicht-Lithiumniobat-Materialien für alle Mikrowellen-Photonenanwendungen von entscheidender Bedeutung.

Im Hinblick auf das optische Routing ermöglicht die schnelle elektrooptische Reaktion des Dünnfilm-Lithiumniobat-Materials dem LNOI-basierten optischen Schalter die Fähigkeit zum Hochgeschwindigkeits-Schalten des optischen Routings, und der Stromverbrauch eines solchen Hochgeschwindigkeitsschaltens ist ebenfalls sehr niedrig. Für die typische Anwendung der integrierten Mikrowellen-Photonentechnologie verfügt der optisch gesteuerte Strahlformungschip über die Fähigkeit zum Hochgeschwindigkeitsschalten, um den Anforderungen einer schnellen Strahlabtastung gerecht zu werden, und die Eigenschaften eines extrem niedrigen Stromverbrauchs sind gut an die strengen Anforderungen großer Unternehmen angepasst Phased-Array-System im Großmaßstab. Obwohl der InP-basierte optische Schalter auch eine schnelle optische Pfadumschaltung realisieren kann, führt er zu großem Rauschen, insbesondere wenn der mehrstufige optische Schalter kaskadiert wird, wird der Rauschkoeffizient erheblich verschlechtert. Silizium-, SiO2- und Siliziumnitridmaterialien können optische Pfade nur durch den thermooptischen Effekt oder den Trägerdispersionseffekt schalten, was die Nachteile eines hohen Stromverbrauchs und einer langsamen Schaltgeschwindigkeit mit sich bringt. Wenn die Array-Größe des Phased-Arrays groß ist, kann es die Anforderungen an den Stromverbrauch nicht erfüllen.

Im Hinblick 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 niedrigen Sättigungsausgangsleistung auf, was für die Anwendung von Mikrowellenphotonen nicht förderlich ist. Der parametrische Verstärkungsprozess von Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleitern, der auf periodischer Aktivierung und Inversion basiert, kann eine rauscharme und leistungsstarke optische On-Chip-Verstärkung erreichen, die die Anforderungen der integrierten Mikrowellenphotonentechnologie für die optische On-Chip-Verstärkung gut erfüllen kann.

Im Hinblick auf die Lichtdetektion weist der Dünnschicht-Lithiumniobat gute Übertragungseigenschaften für Licht im 1550-nm-Band auf. Die Funktion der photoelektrischen Umwandlung kann daher für Mikrowellenphotonenanwendungen nicht realisiert werden, um die Anforderungen der photoelektrischen Umwandlung auf dem Chip zu erfüllen. InGaAs- oder Ge-Si-Detektionseinheiten müssen durch Backloading-Schweißen oder epitaktisches Wachstum auf LNOI-basierten photonischen integrierten Chips eingeführt werden. Im Hinblick auf die Kopplung mit einer optischen Faser weist das Modenfeld des SiO2-Wellenleiters den höchsten Übereinstimmungsgrad mit dem Modenfeld der optischen Faser auf, da die optische Faser selbst aus SiO2-Material besteht, und die Kopplung ist am bequemsten. Der Modenfelddurchmesser des stark eingeschränkten Wellenleiters aus Dünnfilm-Lithiumniobat beträgt etwa 1 μm, was sich stark vom Modenfeld einer optischen Faser unterscheidet. Daher muss eine ordnungsgemäße Modenpunkttransformation durchgeführt werden, um sie an das Modenfeld einer optischen Faser anzupassen.

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). Der stark eingeschränkte Wellenleiter ermöglicht einen kleineren Biegeradius, was der Realisierung einer hohen Integration förderlicher ist. Daher haben Dünnschicht-Lithiumniobat-Wellenleiter das Potenzial, eine hohe Integration zu erreichen. Daher ermöglicht das Auftreten von Dünnfilm-Lithiumniobat, dass Lithiumniobat-Material wirklich die Rolle von optischem „Silizium“ spielt. Bei der Anwendung von Mikrowellenphotonen liegen die Vorteile von Dünnschicht-Lithiumniobat auf der Hand.