Linearitas tinggimodulator elektro-optikdan aplikasi foton gelombang mikro
Dengan meningkatnya kebutuhan sistem komunikasi, untuk lebih meningkatkan efisiensi transmisi sinyal, orang akan menggabungkan foton dan elektron untuk mencapai keunggulan komplementer, dan fotonika gelombang mikro akan lahir. Modulator elektro-optik diperlukan untuk konversi listrik menjadi cahaya dalamsistem fotonik gelombang mikro, dan langkah kunci ini biasanya menentukan kinerja seluruh sistem. Karena konversi sinyal frekuensi radio ke domain optik adalah proses sinyal analog, dan biasamodulator elektro-optikKarena memiliki sifat nonlinier yang melekat, terjadi distorsi sinyal yang serius dalam proses konversi. Untuk mencapai modulasi linier yang mendekati, titik operasi modulator biasanya ditetapkan pada titik bias ortogonal, tetapi hal ini masih belum dapat memenuhi persyaratan tautan foton gelombang mikro untuk linearitas modulator. Modulator elektro-optik dengan linearitas tinggi sangat dibutuhkan.
Modulasi indeks bias berkecepatan tinggi pada material silikon biasanya dicapai melalui efek dispersi plasma pembawa bebas (FCD). Baik efek FCD maupun modulasi sambungan PN bersifat nonlinier, yang membuat modulator silikon kurang linier dibandingkan modulator litium niobat. Material litium niobat menunjukkan sifat yang sangat baik.modulasi elektro-optikSifat-sifat tersebut disebabkan oleh efek Pucker-nya. Pada saat yang sama, material litium niobat memiliki keunggulan bandwidth yang besar, karakteristik modulasi yang baik, kerugian rendah, integrasi yang mudah, dan kompatibilitas dengan proses semikonduktor. Penggunaan film tipis litium niobat untuk membuat modulator elektro-optik berkinerja tinggi, dibandingkan dengan silikon hampir tidak memiliki "short plate", tetapi juga mencapai linearitas yang tinggi. Modulator elektro-optik film tipis litium niobat (LNOI) pada isolator telah menjadi arah pengembangan yang menjanjikan. Dengan perkembangan teknologi persiapan material film tipis litium niobat dan teknologi etsa pandu gelombang, efisiensi konversi yang tinggi dan integrasi yang lebih tinggi dari modulator elektro-optik film tipis litium niobat telah menjadi bidang penelitian akademis dan industri internasional.
Karakteristik film tipis litium niobat
Di Amerika Serikat, perencanaan DAP AR telah membuat evaluasi berikut tentang material litium niobate: jika pusat revolusi elektronik dinamai berdasarkan material silikon yang memungkinkannya, maka tempat kelahiran revolusi fotonik kemungkinan besar akan dinamai berdasarkan litium niobate. Hal ini karena litium niobate mengintegrasikan efek elektro-optik, efek akustik-optik, efek piezoelektrik, efek termoelektrik, dan efek fotorefraktif dalam satu kesatuan, sama seperti material silikon di bidang optik.
Dalam hal karakteristik transmisi optik, material InP memiliki kehilangan transmisi on-chip terbesar karena penyerapan cahaya pada pita 1550nm yang umum digunakan. SiO2 dan silikon nitrida memiliki karakteristik transmisi terbaik, dan kehilangan dapat mencapai tingkat ~ 0,01dB/cm; Saat ini, kehilangan pandu gelombang film tipis litium niobat dapat mencapai tingkat 0,03dB/cm, dan kehilangan pandu gelombang film tipis litium niobat berpotensi untuk dikurangi lebih lanjut dengan peningkatan tingkat teknologi yang berkelanjutan di masa mendatang. Oleh karena itu, material film tipis litium niobat akan menunjukkan kinerja yang baik untuk struktur cahaya pasif seperti jalur fotosintesis, shunt, dan cincin mikro.
Dalam hal pembangkitan cahaya, hanya InP yang memiliki kemampuan untuk memancarkan cahaya secara langsung; Oleh karena itu, untuk aplikasi foton gelombang mikro, perlu untuk memperkenalkan sumber cahaya berbasis InP pada chip terintegrasi fotonik berbasis LNOI dengan cara pengelasan backloading atau pertumbuhan epitaksial. Dalam hal modulasi cahaya, telah ditekankan di atas bahwa material litium niobate film tipis lebih mudah mencapai bandwidth modulasi yang lebih besar, tegangan setengah gelombang yang lebih rendah, dan kehilangan transmisi yang lebih rendah daripada InP dan Si. Selain itu, linearitas modulasi elektro-optik yang tinggi dari material litium niobate film tipis sangat penting untuk semua aplikasi foton gelombang mikro.
Dalam hal perutean optik, respons elektro-optik berkecepatan tinggi dari material litium niobate film tipis membuat sakelar optik berbasis LNOI mampu melakukan pengalihan perutean optik berkecepatan tinggi, dan konsumsi daya dari pengalihan berkecepatan tinggi tersebut juga sangat rendah. Untuk aplikasi tipikal teknologi foton gelombang mikro terintegrasi, chip pembentuk berkas yang dikontrol secara optik memiliki kemampuan pengalihan berkecepatan tinggi untuk memenuhi kebutuhan pemindaian berkas yang cepat, dan karakteristik konsumsi daya ultra-rendah sangat sesuai dengan persyaratan ketat dari sistem susunan bertahap skala besar. Meskipun sakelar optik berbasis InP juga dapat mewujudkan pengalihan jalur optik berkecepatan tinggi, ia akan menimbulkan noise yang besar, terutama ketika sakelar optik multi-level dikaskadekan, koefisien noise akan memburuk secara serius. Material silikon, SiO2, dan silikon nitrida hanya dapat mengalihkan jalur optik melalui efek termo-optik atau efek dispersi pembawa, yang memiliki kelemahan berupa konsumsi daya tinggi dan kecepatan pengalihan yang lambat. Ketika ukuran susunan bertahap besar, hal itu tidak dapat memenuhi persyaratan konsumsi daya.
Dalam hal penguatan optik,penguat optik semikonduktor (SOA(Teknologi) berbasis InP telah matang untuk penggunaan komersial, tetapi memiliki kelemahan berupa koefisien derau yang tinggi dan daya keluaran saturasi yang rendah, yang tidak kondusif untuk aplikasi foton gelombang mikro. Proses amplifikasi parametrik pandu gelombang litium niobate film tipis berdasarkan aktivasi dan inversi periodik dapat mencapai amplifikasi optik on-chip dengan derau rendah dan daya tinggi, yang dapat memenuhi persyaratan teknologi foton gelombang mikro terintegrasi untuk amplifikasi optik on-chip.
Dalam hal deteksi cahaya, film tipis litium niobate memiliki karakteristik transmisi yang baik terhadap cahaya pada pita 1550 nm. Fungsi konversi fotolistrik tidak dapat direalisasikan, sehingga untuk aplikasi foton gelombang mikro, untuk memenuhi kebutuhan konversi fotolistrik pada chip, unit deteksi InGaAs atau Ge-Si perlu diperkenalkan pada chip terintegrasi fotonik berbasis LNOI dengan pengelasan backloading atau pertumbuhan epitaksial. Dalam hal kopling dengan serat optik, karena serat optik itu sendiri adalah material SiO2, medan mode pandu gelombang SiO2 memiliki tingkat pencocokan tertinggi dengan medan mode serat optik, dan koplingnya paling mudah. Diameter medan mode pandu gelombang yang sangat terbatas dari film tipis litium niobate adalah sekitar 1μm, yang sangat berbeda dari medan mode serat optik, sehingga transformasi titik mode yang tepat harus dilakukan untuk mencocokkan medan mode serat optik.
Dalam hal integrasi, apakah berbagai material memiliki potensi integrasi yang tinggi terutama bergantung pada radius pembengkokan pandu gelombang (dipengaruhi oleh keterbatasan medan mode pandu gelombang). Pandu gelombang yang sangat terbatas memungkinkan radius pembengkokan yang lebih kecil, yang lebih kondusif untuk mewujudkan integrasi yang tinggi. Oleh karena itu, pandu gelombang litium niobate film tipis memiliki potensi untuk mencapai integrasi yang tinggi. Dengan demikian, munculnya litium niobate film tipis memungkinkan material litium niobate untuk benar-benar berperan sebagai "silikon" optik. Untuk aplikasi foton gelombang mikro, keunggulan litium niobate film tipis lebih jelas terlihat.
Waktu posting: 23 April 2024