Yüksek entegre ince film lityum niyobat elektro-optik modülatör

Yüksek doğrusallıkelektro-optik modülatörve mikrodalga foton uygulaması
İletişim sistemlerine olan artan ihtiyaçlarla birlikte, sinyallerin iletim verimliliğini daha da artırmak için insanlar fotonları ve elektronları birleştirerek tamamlayıcı avantajlar elde edecek ve mikrodalga fotoniği ortaya çıkacaktır. Elektro-optik modülatör, elektriğin ışığa dönüştürülmesi için gereklidir.mikrodalga fotonik sistemlerive bu önemli adım genellikle tüm sistemin performansını belirler. Radyo frekansı sinyalinin optik alana dönüştürülmesi analog bir sinyal işlemi olduğundan ve sıradanelektro-optik modülatörlerDoğal doğrusal olmayan bir yapıya sahip olduklarından, dönüştürme sürecinde ciddi sinyal bozulmaları meydana gelir. Yaklaşık doğrusal modülasyon elde etmek için, modülatörün çalışma noktası genellikle ortogonal önyargı noktasında sabitlenir, ancak yine de mikrodalga foton bağlantısının modülatörün doğrusallığı gereksinimlerini karşılayamaz. Yüksek doğrusallığa sahip elektro-optik modülatörlere acilen ihtiyaç duyulmaktadır.

Silisyum malzemelerin yüksek hızlı kırılma indisi modülasyonu genellikle serbest taşıyıcı plazma dispersiyon (FCD) etkisiyle elde edilir. Hem FCD etkisi hem de PN bağlantı modülasyonu doğrusal değildir, bu da silisyum modülatörü lityum niyobat modülatöründen daha az doğrusal hale getirir. Lityum niyobat malzemeleri mükemmel bir kırılma indisi sergiler.elektro-optik modülasyonPucker etkisinden kaynaklanan özellikler. Aynı zamanda, lityum niyobat malzemesi, geniş bant genişliği, iyi modülasyon özellikleri, düşük kayıp, yarı iletken proseslerle kolay entegrasyon ve uyumluluk gibi avantajlara sahiptir. İnce film lityum niyobat kullanımı, yüksek performanslı elektro-optik modülatörler üretmek için kullanılırken, silikonla karşılaştırıldığında neredeyse hiç "kısa plaka" bulunmaz ve aynı zamanda yüksek doğrusallık elde edilir. Yalıtkan üzerinde ince film lityum niyobat (LNOI) elektro-optik modülatör, umut vadeden bir geliştirme alanı haline gelmiştir. İnce film lityum niyobat malzeme hazırlama teknolojisi ve dalga kılavuzu aşındırma teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, ince film lityum niyobat elektro-optik modülatörün yüksek dönüşüm verimliliği ve daha yüksek entegrasyonu, uluslararası akademi ve endüstrinin ilgi odağı haline gelmiştir.

İnce film lityum niyobatın özellikleri
Amerika Birleşik Devletleri'nde DAP AR planlaması, lityum niyobat malzemeleri hakkında şu değerlendirmeyi yapmıştır: Elektronik devrimin merkezi, onu mümkün kılan silisyum malzemesinin adını taşıyorsa, fotonik devriminin doğum yeri de muhtemelen lityum niyobatın adını taşıyacaktır. Bunun nedeni, lityum niyobatın tıpkı optik alanındaki silisyum malzemeler gibi, elektro-optik etki, akusto-optik etki, piezoelektrik etki, termoelektrik etki ve fotorefraktif etkiyi tek bir bünyede birleştirmesidir.

Optik iletim özellikleri açısından, InP malzemesi, yaygın olarak kullanılan 1550 nm bandında ışığın emilmesi nedeniyle çip üzerinde en büyük iletim kaybına sahiptir. SiO2 ve silisyum nitrür en iyi iletim özelliklerine sahiptir ve kayıp ~ 0,01 dB/cm seviyesine ulaşabilir; şu anda, ince film lityum niyobat dalga kılavuzunun dalga kılavuzu kaybı 0,03 dB/cm seviyesine ulaşabilir ve ince film lityum niyobat dalga kılavuzunun kaybının, gelecekte teknolojik seviyenin sürekli iyileştirilmesiyle daha da azaltılma potansiyeli vardır. Bu nedenle, ince film lityum niyobat malzemesi, fotosentetik yol, şönt ve mikro halka gibi pasif ışık yapıları için iyi bir performans gösterecektir.

Işık üretimi açısından, yalnızca InP doğrudan ışık yayma yeteneğine sahiptir; bu nedenle, mikrodalga fotonlarının uygulanması için, InP tabanlı ışık kaynağının LNOI tabanlı fotonik entegre çip üzerine geri yükleme kaynağı veya epitaksiyel büyüme yoluyla entegre edilmesi gerekmektedir. Işık modülasyonu açısından, ince film lityum niyobat malzemesinin InP ve Si'ye kıyasla daha geniş modülasyon bant genişliği, daha düşük yarım dalga gerilimi ve daha düşük iletim kaybı elde etmesinin daha kolay olduğu yukarıda vurgulanmıştır. Dahası, ince film lityum niyobat malzemelerinin elektro-optik modülasyonunun yüksek doğrusallığı, tüm mikrodalga foton uygulamaları için olmazsa olmazdır.

Optik yönlendirme açısından, ince film lityum niyobat malzemesinin yüksek hızlı elektro-optik tepkisi, LNOI tabanlı optik anahtarın yüksek hızlı optik yönlendirme anahtarlamasına olanak tanır ve bu tür yüksek hızlı anahtarlamanın güç tüketimi de oldukça düşüktür. Entegre mikrodalga foton teknolojisinin tipik uygulamaları için, optik kontrollü ışın oluşturma çipi, hızlı ışın tarama ihtiyaçlarını karşılamak için yüksek hızlı anahtarlama yeteneğine sahiptir ve ultra düşük güç tüketimi özellikleri, büyük ölçekli faz dizili sistemlerin sıkı gereksinimlerine iyi uyum sağlar. InP tabanlı optik anahtar da yüksek hızlı optik yol anahtarlamasını gerçekleştirebilse de, özellikle çok seviyeli optik anahtar kademeli olarak bağlandığında büyük gürültüye neden olur ve gürültü katsayısı ciddi şekilde bozulur. Silisyum, SiO2 ve silisyum nitrür malzemeler, optik yolları yalnızca termo-optik etki veya taşıyıcı dispersiyon etkisi yoluyla değiştirebilir; bu da yüksek güç tüketimi ve yavaş anahtarlama hızı dezavantajlarına sahiptir. Faz dizili sistemin dizi boyutu büyük olduğunda, güç tüketimi gereksinimlerini karşılayamaz.

Optik amplifikasyon açısından,yarı iletken optik amplifikatör (SOAInP tabanlı ) ticari kullanım için olgunlaşmıştır, ancak yüksek gürültü katsayısı ve mikrodalga fotonlarının uygulanmasına elverişli olmayan düşük doygunluk çıkış gücü gibi dezavantajları vardır. Periyodik aktivasyon ve ters çevirmeye dayalı ince film lityum niyobat dalga kılavuzunun parametrik amplifikasyon süreci, düşük gürültü ve yüksek güçlü çip üstü optik amplifikasyon elde edebilir ve bu da entegre mikrodalga foton teknolojisinin çip üstü optik amplifikasyon gereksinimlerini karşılayabilir.

Işık algılama açısından, ince film lityum niyobat 1550 nm bandında ışığa karşı iyi iletim özelliklerine sahiptir. Fotoelektrik dönüşüm işlevi gerçekleştirilemediğinden, mikrodalga foton uygulamaları için çip üzerindeki fotoelektrik dönüşüm ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla InGaAs veya Ge-Si algılama ünitelerinin LNOI tabanlı fotonik entegre çiplere geri yükleme kaynağı veya epitaksiyel büyüme yoluyla tanıtılması gerekir. Optik fiber ile kuplaj açısından, optik fiberin kendisi SiO2 malzemesi olduğundan, SiO2 dalga kılavuzunun mod alanı optik fiberin mod alanıyla en yüksek eşleşme derecesine sahiptir ve kuplaj en uygundur. Güçlü bir şekilde kısıtlanmış ince film lityum niyobat dalga kılavuzunun mod alanı çapı yaklaşık 1 μm'dir; bu, optik fiberin mod alanından oldukça farklıdır, bu nedenle optik fiberin mod alanıyla eşleşmesi için uygun mod nokta dönüşümü gerçekleştirilmelidir.

Entegrasyon açısından, çeşitli malzemelerin yüksek bir entegrasyon potansiyeline sahip olup olmadığı, esas olarak dalga kılavuzunun bükülme yarıçapına (dalga kılavuzu mod alanının sınırlamasından etkilenir) bağlıdır. Güçlü bir şekilde sınırlandırılmış dalga kılavuzu, daha küçük bir bükülme yarıçapına izin verir ve bu da yüksek entegrasyonun gerçekleştirilmesine daha elverişlidir. Bu nedenle, ince film lityum niyobat dalga kılavuzları yüksek entegrasyon sağlama potansiyeline sahiptir. Dolayısıyla, ince film lityum niyobatın ortaya çıkışı, lityum niyobat malzemesinin optik "silikon" rolünü gerçekten oynamasını mümkün kılar. Mikrodalga fotonlarının uygulanması için, ince film lityum niyobatın avantajları daha açıktır.