Yüksek doğrusallıkelektro-optik modülatörve mikrodalga foton uygulaması
İletişim sistemlerinin artan gereksinimleriyle birlikte, sinyallerin iletim verimliliğini daha da iyileştirmek için, insanlar tamamlayıcı avantajlar elde etmek amacıyla fotonları ve elektronları birleştirecekler ve mikrodalga fotoniği doğacaktır. Elektriğin ışığa dönüştürülmesi için elektro-optik modülatöre ihtiyaç duyulmaktadır.mikrodalga fotonik sistemlerVe bu kilit adım genellikle tüm sistemin performansını belirler. Radyo frekansı sinyalinin optik alana dönüştürülmesi analog bir sinyal işlemi olduğundan veelektro-optik modülatörlerDoğal olarak doğrusal olmayan yapıya sahip olduklarından, dönüştürme işleminde ciddi sinyal bozulmaları meydana gelir. Yaklaşık doğrusal modülasyon elde etmek için, modülatörün çalışma noktası genellikle ortogonal bias noktasına sabitlenir, ancak bu yine de mikrodalga foton bağlantısının modülatörün doğrusal olma gereksinimlerini karşılayamaz. Yüksek doğrusallığa sahip elektro-optik modülatörlere acilen ihtiyaç duyulmaktadır.
Silikon malzemelerin yüksek hızlı kırılma indisi modülasyonu genellikle serbest taşıyıcı plazma dağılımı (FCD) etkisiyle elde edilir. Hem FCD etkisi hem de PN eklem modülasyonu doğrusal olmayan özelliktedir, bu da silikon modülatörü lityum niobat modülatöründen daha az doğrusal hale getirir. Lityum niobat malzemeleri mükemmel özellikler sergiler.elektro-optik modülasyonLityum niobat, Pucker etkisi nedeniyle bazı özelliklere sahiptir. Aynı zamanda, lityum niobat malzemesi geniş bant genişliği, iyi modülasyon özellikleri, düşük kayıp, kolay entegrasyon ve yarı iletken prosesiyle uyumluluk avantajlarına sahiptir. İnce film lityum niobat kullanılarak yüksek performanslı elektro-optik modülatörler üretildiğinde, silikon ile karşılaştırıldığında neredeyse hiç "kısa devre" oluşmaz ve yüksek doğrusallık elde edilir. Yalıtkan üzerine ince film lityum niobat (LNOI) elektro-optik modülatör, umut vadeden bir geliştirme yönü haline gelmiştir. İnce film lityum niobat malzeme hazırlama teknolojisi ve dalga kılavuzu aşındırma teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, ince film lityum niobat elektro-optik modülatörlerin yüksek dönüşüm verimliliği ve daha yüksek entegrasyonu, uluslararası akademi ve endüstrinin ilgi alanı haline gelmiştir.
İnce film lityum niobatın özellikleri
Amerika Birleşik Devletleri'nde DAP AR planlama departmanı, lityum niobat malzemeleri hakkında şu değerlendirmeyi yapmıştır: Elektronik devrimin merkezi, onu mümkün kılan silikon malzemeyle anılıyorsa, fotonik devrimin doğum yeri de muhtemelen lityum niobat ile anılacaktır. Çünkü lityum niobatın, tıpkı optik alanındaki silikon malzemeler gibi, elektro-optik etki, akustik-optik etki, piezoelektrik etki, termoelektrik etki ve fotorefraktif etkiyi bir arada barındırması bu değerlendirmeyi destekler.
Optik iletim özellikleri açısından, InP malzemesi, yaygın olarak kullanılan 1550 nm bandındaki ışığın emilimi nedeniyle en büyük çip içi 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 niobat dalga kılavuzunun kaybı 0,03 dB/cm seviyesine ulaşabilmektedir ve gelecekte teknolojik seviyenin sürekli gelişmesiyle ince film lityum niobat dalga kılavuzunun kaybının daha da azaltılması potansiyeli vardır. Bu nedenle, ince film lityum niobat malzemesi, fotosentetik yol, şönt ve mikro halka gibi pasif ışık yapıları için iyi performans gösterecektir.
Işık üretimi açısından, yalnızca InP doğrudan ışık yayma yeteneğine sahiptir; bu nedenle, mikrodalga foton uygulamaları için, InP tabanlı ışık kaynağının, arka yükleme kaynağı veya epitaksiyel büyüme yoluyla LNOI tabanlı fotonik entegre çipe entegre edilmesi gereklidir. Işık modülasyonu açısından, yukarıda vurgulandığı gibi, ince film lityum niobat malzemesi, InP ve Si'ye kıyasla daha geniş modülasyon bant genişliği, daha düşük yarı dalga voltajı ve daha düşük iletim kaybı elde etmeyi kolaylaştırır. Dahası, ince film lityum niobat malzemelerinin elektro-optik modülasyonunun yüksek doğrusallığı, tüm mikrodalga foton uygulamaları için esastır.
Optik yönlendirme açısından, ince film lityum niobat malzemenin yüksek hızlı elektro-optik tepkisi, LNOI tabanlı optik anahtarın yüksek hızlı optik yönlendirme anahtarlaması yapabilmesini sağlar ve bu tür yüksek hızlı anahtarlamanın güç tüketimi de çok düşüktür. Entegre mikrodalga foton teknolojisinin tipik uygulaması için, optik olarak kontrol edilen ışın şekillendirme çipi, hızlı ışın tarama ihtiyaçlarını karşılamak için yüksek hızlı anahtarlama yeteneğine sahiptir ve ultra düşük güç tüketimi özellikleri, büyük ölçekli faz dizili sistemin katı gereksinimlerine iyi uyum sağlar. InP tabanlı optik anahtar da yüksek hızlı optik yol anahtarlaması gerçekleştirebilse de, özellikle çok seviyeli optik anahtar kademeli olarak bağlandığında, gürültü katsayısı ciddi şekilde bozulacaktır. Silikon, SiO2 ve silikon nitrür malzemeler yalnızca termo-optik etki veya taşıyıcı dağılım etkisi yoluyla optik yolları değiştirebilir; bu da yüksek güç tüketimi ve yavaş anahtarlama hızı dezavantajlarına sahiptir. Faz dizisinin dizi boyutu büyük olduğunda, güç tüketimi gereksinimlerini karşılayamaz.
Optik yükseltme açısından,yarı iletken optik yükseltici (SOAİnP tabanlı (InP) yapılar ticari kullanım için olgunlaşmış olsa da, yüksek gürültü katsayısı ve düşük doygunluk çıkış gücü gibi dezavantajları vardır ve bu da mikrodalga fotonlarının uygulamasına elverişli değildir. Periyodik aktivasyon ve ters çevirmeye dayalı ince film lityum niobat dalga kılavuzunun parametrik yükseltme işlemi, düşük gürültü ve yüksek güçte çip üzerinde optik yükseltme sağlayabilir ve bu da çip üzerinde optik yükseltme için entegre mikrodalga foton teknolojisinin gereksinimlerini iyi bir şekilde karşılayabilir.
Işık algılama açısından, ince film lityum niobat, 1550 nm bandındaki ışığa karşı iyi iletim özelliklerine sahiptir. Fotoelektrik dönüşüm işlevi gerçekleştirilemez, bu nedenle mikrodalga foton uygulamaları için, çip üzerinde fotoelektrik dönüşüm ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla, LNOI tabanlı fotonik entegre çipler üzerine InGaAs veya Ge-Si algılama ünitelerinin arka yükleme kaynağı veya epitaksiyel büyüme yoluyla eklenmesi gerekir. Optik fiber ile birleştirme açısından, optik fiberin kendisi SiO2 malzeme olduğundan, SiO2 dalga kılavuzunun mod alanı, optik fiberin mod alanı ile en yüksek eşleşme derecesine sahiptir ve birleştirme en uygunudur. İnce film lityum niobatın güçlü bir şekilde kısıtlanmış dalga kılavuzunun mod alanı çapı yaklaşık 1 μm'dir, bu da optik fiberin mod alanından oldukça farklıdır, bu nedenle optik fiberin mod alanıyla eşleşmesi için uygun mod noktası dönüşümü gerçekleştirilmelidir.
Entegrasyon açısından, çeşitli malzemelerin yüksek entegrasyon potansiyeline sahip olup olmadığı esas olarak dalga kılavuzunun bükülme yarıçapına (dalga kılavuzu mod alanının sınırlamasından etkilenir) bağlıdır. Güçlü şekilde kısıtlanmış dalga kılavuzu, daha küçük bir bükülme yarıçapına izin verir ve bu da yüksek entegrasyonun gerçekleştirilmesine daha elverişlidir. Bu nedenle, ince film lityum niobat dalga kılavuzları yüksek entegrasyon elde etme potansiyeline sahiptir. Dolayısıyla, ince film lityum niobatın ortaya çıkışı, lityum niobat malzemesinin gerçekten optik "silikon" rolünü oynamasını mümkün kılar. Mikrodalga fotonlarının uygulaması için, ince film lityum niobatın avantajları daha belirgindir.
Yayın tarihi: 23 Nisan 2024