Elevata linearitàmodulatore elettro-otticoe applicazione dei fotoni a microonde
Con l'aumento dei requisiti dei sistemi di comunicazione, al fine di migliorare ulteriormente l'efficienza di trasmissione dei segnali, si fonderanno fotoni ed elettroni per ottenere vantaggi complementari, e nascerà la fotonica a microonde. Il modulatore elettro-ottico è necessario per la conversione dell'elettricità in luce insistemi fotonici a microonde, e questo passaggio chiave di solito determina le prestazioni dell'intero sistema. Poiché la conversione del segnale a radiofrequenza in dominio ottico è un processo di segnale analogico, e ordinariomodulatori elettro-otticipresentano una non linearità intrinseca, si verifica una grave distorsione del segnale nel processo di conversione. Per ottenere una modulazione approssimativamente lineare, il punto operativo del modulatore è solitamente fissato al punto di polarizzazione ortogonale, ma ciò non è ancora in grado di soddisfare i requisiti del collegamento fotonico a microonde per la linearità del modulatore. Sono urgentemente necessari modulatori elettro-ottici con elevata linearità.
La modulazione ad alta velocità dell'indice di rifrazione dei materiali al silicio è solitamente ottenuta tramite l'effetto di dispersione del plasma di portatori liberi (FCD). Sia l'effetto FCD che la modulazione della giunzione PN sono non lineari, il che rende il modulatore al silicio meno lineare rispetto al modulatore al niobato di litio. I materiali al niobato di litio presentano eccellentimodulazione elettro-otticaproprietà dovute al loro effetto Pucker. Allo stesso tempo, il materiale in niobato di litio presenta i vantaggi di un'ampia larghezza di banda, buone caratteristiche di modulazione, basse perdite, facile integrazione e compatibilità con i processi a semiconduttore. L'uso del niobato di litio a film sottile per realizzare modulatori elettro-ottici ad alte prestazioni, rispetto al silicio, non presenta quasi nessuna "piastra corta", ma consente anche di ottenere un'elevata linearità. Il modulatore elettro-ottico in niobato di litio a film sottile (LNOI) su isolante è diventato una promettente direzione di sviluppo. Con lo sviluppo della tecnologia di preparazione del materiale in niobato di litio a film sottile e della tecnologia di incisione su guida d'onda, l'elevata efficienza di conversione e la maggiore integrazione del modulatore elettro-ottico in niobato di litio a film sottile sono diventati un campo di ricerca del mondo accademico e industriale internazionale.
Caratteristiche del niobato di litio a film sottile
Negli Stati Uniti, la pianificazione DAP AR ha effettuato la seguente valutazione dei materiali in niobato di litio: se il centro della rivoluzione elettronica prende il nome dal materiale al silicio che la rende possibile, allora è probabile che la culla della rivoluzione fotonica prenda il nome dal niobato di litio. Questo perché il niobato di litio integra in un unico prodotto l'effetto elettro-ottico, acusto-ottico, piezoelettrico, termoelettrico e fotorifrattivo, proprio come i materiali al silicio nel campo dell'ottica.
In termini di caratteristiche di trasmissione ottica, il materiale InP presenta la maggiore perdita di trasmissione su chip a causa dell'assorbimento della luce nella banda comunemente utilizzata dei 1550 nm. SiO2 e nitruro di silicio presentano le migliori caratteristiche di trasmissione e la perdita può raggiungere un livello di ~ 0,01 dB/cm; attualmente, la perdita di una guida d'onda in niobato di litio a film sottile può raggiungere un livello di 0,03 dB/cm e ha il potenziale per essere ulteriormente ridotta con il continuo miglioramento del livello tecnologico in futuro. Pertanto, il materiale in niobato di litio a film sottile offrirà buone prestazioni per strutture di luce passive come percorsi fotosintetici, shunt e microanelli.
In termini di generazione di luce, solo l'InP ha la capacità di emettere luce direttamente; pertanto, per l'applicazione dei fotoni a microonde, è necessario introdurre la sorgente luminosa a base di InP sul chip fotonico integrato basato su LNOI tramite saldatura a backloading o crescita epitassiale. In termini di modulazione della luce, è stato sottolineato in precedenza che il niobato di litio a film sottile consente di ottenere più facilmente una maggiore larghezza di banda di modulazione, una tensione di semionda inferiore e una minore perdita di trasmissione rispetto a InP e Si. Inoltre, l'elevata linearità della modulazione elettro-ottica dei materiali in niobato di litio a film sottile è essenziale per tutte le applicazioni con fotoni a microonde.
In termini di routing ottico, l'elevata velocità di risposta elettro-ottica del niobato di litio a film sottile rende l'interruttore ottico basato su LNOI in grado di commutare il routing ottico ad alta velocità, con un consumo energetico molto basso. Per l'applicazione tipica della tecnologia integrata dei fotoni a microonde, il chip di beamforming a controllo ottico offre la capacità di commutazione ad alta velocità per soddisfare le esigenze di scansione rapida del fascio, e le caratteristiche di consumo energetico ultra-basso si adattano bene ai severi requisiti dei sistemi phased array su larga scala. Sebbene l'interruttore ottico basato su InP possa anche realizzare la commutazione del percorso ottico ad alta velocità, introdurrà un rumore elevato, soprattutto quando l'interruttore ottico multilivello è in cascata, con conseguente grave deterioramento del coefficiente di rumore. I materiali in silicio, SiO₂ e nitruro di silicio possono commutare i percorsi ottici solo attraverso l'effetto termo-ottico o l'effetto di dispersione dei portatori, il che presenta gli svantaggi di un elevato consumo energetico e di una bassa velocità di commutazione. Quando le dimensioni dell'array phased array sono elevate, non è possibile soddisfare i requisiti di consumo energetico.
In termini di amplificazione ottica, ilamplificatore ottico a semiconduttore (SOA) a base di InP è matura per l'uso commerciale, ma presenta gli svantaggi di un elevato coefficiente di rumore e di una bassa potenza di uscita in saturazione, che non favoriscono l'applicazione dei fotoni a microonde. Il processo di amplificazione parametrica della guida d'onda in niobato di litio a film sottile, basato su attivazione e inversione periodiche, consente di ottenere un'amplificazione ottica on-chip a basso rumore e ad alta potenza, che soddisfa ampiamente i requisiti della tecnologia integrata dei fotoni a microonde per l'amplificazione ottica on-chip.
In termini di rilevamento della luce, il niobato di litio a film sottile presenta buone caratteristiche di trasmissione della luce nella banda dei 1550 nm. La funzione di conversione fotoelettrica non può essere realizzata, quindi per le applicazioni con fotoni a microonde, per soddisfare le esigenze di conversione fotoelettrica sul chip, è necessario introdurre unità di rilevamento InGaAs o Ge-Si su chip fotonici integrati basati su LNOI mediante saldatura a backloading o crescita epitassiale. In termini di accoppiamento con la fibra ottica, poiché la fibra ottica stessa è realizzata in SiO₂, il campo modale della guida d'onda in SiO₂ presenta il massimo grado di corrispondenza con il campo modale della fibra ottica e l'accoppiamento è il più conveniente. Il diametro del campo modale della guida d'onda fortemente ristretta in niobato di litio a film sottile è di circa 1 μm, che è piuttosto diverso dal campo modale della fibra ottica, quindi è necessario eseguire un'adeguata trasformazione del campo modale per adattarlo al campo modale della fibra ottica.
In termini di integrazione, l'elevato potenziale di integrazione di diversi materiali dipende principalmente dal raggio di curvatura della guida d'onda (influenzato dalla limitazione del campo modale della guida d'onda). Una guida d'onda fortemente ristretta consente un raggio di curvatura inferiore, che favorisce maggiormente il raggiungimento di un'elevata integrazione. Pertanto, le guide d'onda in niobato di litio a film sottile hanno il potenziale per raggiungere un'elevata integrazione. Pertanto, la comparsa del niobato di litio a film sottile consente al niobato di litio di svolgere effettivamente il ruolo di "silicio" ottico. Per l'applicazione dei fotoni a microonde, i vantaggi del niobato di litio a film sottile sono più evidenti.
Data di pubblicazione: 23 aprile 2024