Linearitas tinggimodulator elektro-optikdan aplikasi foton gelombang mikro
Dengan meningkatnya kebutuhan sistem komunikasi, untuk lebih meningkatkan efisiensi transmisi sinyal, manusia akan menggabungkan foton dan elektron untuk mencapai keunggulan yang saling melengkapi, dan fotonik gelombang mikro akan lahir. Modulator elektro-optik diperlukan untuk mengubah listrik menjadi cahayasistem fotonik gelombang mikro, dan langkah penting ini biasanya menentukan kinerja keseluruhan sistem. Karena konversi sinyal frekuensi radio ke domain optik merupakan proses sinyal analog, dan biasa sajamodulator elektro-optikmemiliki nonlinier yang melekat, ada distorsi sinyal yang serius dalam proses konversi. Untuk mencapai perkiraan modulasi linier, titik operasi modulator biasanya ditetapkan pada titik bias ortogonal, namun 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 dari bahan silikon biasanya dicapai dengan efek dispersi plasma pembawa bebas (FCD). Baik efek FCD maupun modulasi sambungan PN bersifat nonlinier, yang membuat modulator silikon kurang linier dibandingkan modulator litium niobate. Bahan lithium niobate menunjukkan hasil yang sangat baikmodulasi elektro-optikproperti karena efek Pucker mereka. Pada saat yang sama, bahan lithium niobate memiliki keunggulan bandwidth besar, karakteristik modulasi yang baik, kerugian rendah, integrasi mudah dan kompatibilitas dengan proses semikonduktor, penggunaan film tipis lithium niobate untuk membuat modulator elektro-optik berkinerja tinggi, dibandingkan dengan silikon hampir tidak ada “pelat pendek”, tetapi juga untuk mencapai linearitas tinggi. Modulator elektro-optik lithium niobate (LNOI) film tipis pada isolator telah menjadi arah pengembangan yang menjanjikan. Dengan berkembangnya teknologi persiapan bahan lithium niobate film tipis dan teknologi etsa pandu gelombang, efisiensi konversi yang tinggi dan integrasi yang lebih tinggi dari modulator elektro-optik lithium niobate film tipis telah menjadi bidang akademisi dan industri internasional.
Karakteristik litium niobate film tipis
Di Amerika Serikat, perencanaan DAP AR telah membuat evaluasi bahan litium niobate sebagai berikut: jika pusat revolusi elektronik dinamai berdasarkan bahan silikon yang memungkinkannya, maka tempat lahirnya revolusi fotonik kemungkinan besar akan dinamai litium niobate. . Hal ini karena litium niobate mengintegrasikan efek elektro-optik, efek akustik-optik, efek piezoelektrik, efek termoelektrik, dan efek fotorefraksi menjadi satu, sama seperti bahan 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, hilangnya pandu gelombang dari pandu gelombang litium niobate film tipis dapat mencapai tingkat 0,03dB/cm, dan hilangnya pandu gelombang litium niobate film tipis berpotensi untuk semakin dikurangi dengan peningkatan tingkat teknologi yang berkelanjutan di bidang tersebut. masa depan. Oleh karena itu, material lithium niobate film tipis akan menunjukkan kinerja yang baik untuk struktur cahaya pasif seperti jalur fotosintesis, shunt dan microring.
Dalam hal pembangkitan cahaya, hanya InP yang memiliki kemampuan memancarkan cahaya secara langsung; Oleh karena itu, untuk penerapan foton gelombang mikro, perlu dilakukan pengenalan sumber cahaya berbasis InP pada chip terintegrasi fotonik berbasis LNOI melalui pengelasan backloading atau pertumbuhan epitaksi. Dalam hal modulasi cahaya, telah ditekankan di atas bahwa bahan lithium niobate film tipis lebih mudah untuk mencapai bandwidth modulasi yang lebih besar, tegangan setengah gelombang yang lebih rendah, dan kehilangan transmisi yang lebih rendah dibandingkan InP dan Si. Selain itu, linearitas tinggi modulasi elektro-optik bahan lithium niobate film tipis sangat penting untuk semua aplikasi foton gelombang mikro.
Dalam hal perutean optik, respons elektro-optik berkecepatan tinggi dari bahan lithium niobate film tipis membuat sakelar optik berbasis LNOI mampu melakukan peralihan perutean optik berkecepatan tinggi, dan konsumsi daya dari peralihan kecepatan tinggi tersebut juga sangat rendah. Untuk penerapan khas teknologi foton gelombang mikro terintegrasi, chip beamforming yang dikontrol secara optik memiliki kemampuan peralihan berkecepatan tinggi untuk memenuhi kebutuhan pemindaian sinar cepat, dan karakteristik konsumsi daya ultra-rendah disesuaikan dengan baik dengan persyaratan ketat dari skala besar. -sistem array bertahap skala. Meskipun sakelar optik berbasis InP juga dapat mewujudkan peralihan jalur optik berkecepatan tinggi, namun akan menimbulkan kebisingan yang besar, terutama ketika sakelar optik bertingkat bertingkat, koefisien kebisingan akan sangat menurun. Bahan silikon, SiO2, dan silikon nitrida hanya dapat berpindah jalur optik melalui efek termo-optik atau efek dispersi pembawa, yang memiliki kelemahan berupa konsumsi daya yang tinggi dan kecepatan peralihan yang lambat. Ketika ukuran array dari array bertahap besar, maka tidak dapat memenuhi kebutuhan konsumsi daya.
Dalam hal amplifikasi optik, itupenguat optik semikonduktor (SOA) berdasarkan InP telah matang untuk penggunaan komersial, tetapi memiliki kelemahan berupa koefisien kebisingan yang tinggi dan daya keluaran saturasi yang rendah, sehingga tidak kondusif untuk penerapan foton gelombang mikro. Proses amplifikasi parametrik pandu gelombang lithium niobate film tipis berdasarkan aktivasi dan inversi berkala dapat mencapai amplifikasi optik on-chip dengan noise rendah dan daya tinggi, yang juga dapat memenuhi persyaratan teknologi foton gelombang mikro terintegrasi untuk amplifikasi optik on-chip.
Dalam hal deteksi cahaya, film tipis lithium niobate memiliki karakteristik transmisi yang baik terhadap cahaya pada pita 1550 nm. Fungsi konversi fotolistrik belum dapat direalisasikan, sehingga untuk aplikasi foton gelombang mikro, guna 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 epitaksi. Dalam hal penggandengan dengan serat optik, karena serat optik itu sendiri adalah bahan SiO2, bidang mode pandu gelombang SiO2 memiliki tingkat kesesuaian tertinggi dengan bidang mode serat optik, dan penggandengan adalah yang paling nyaman. Diameter bidang mode dari pandu gelombang film tipis lithium niobate yang sangat terbatas adalah sekitar 1μm, yang sangat berbeda dari bidang mode serat optik, sehingga transformasi titik mode yang tepat harus dilakukan agar sesuai dengan bidang mode serat optik.
Dalam hal integrasi, apakah berbagai material memiliki potensi integrasi yang tinggi terutama bergantung pada radius tekukan pandu gelombang (dipengaruhi oleh keterbatasan bidang mode pandu gelombang). Pandu gelombang yang sangat terbatas memungkinkan radius tekukan yang lebih kecil, yang lebih kondusif bagi realisasi integrasi tinggi. Oleh karena itu, pandu gelombang lithium niobate film tipis memiliki potensi untuk mencapai integrasi yang tinggi. Oleh karena itu, kemunculan litium niobate film tipis memungkinkan material litium niobate benar-benar berperan sebagai “silikon” optik. Untuk penerapan foton gelombang mikro, keunggulan litium niobate film tipis lebih jelas.
Waktu posting: 23 April-2024