Elevata linearitàmodulatore elettrootticoe applicazione di fotoni a microonde
Con le crescenti esigenze dei sistemi di comunicazione, al fine di migliorare ulteriormente l'efficienza di trasmissione dei segnali, le persone 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 lucesistemi fotonici a microondee 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 lineare approssimativa, il punto operativo del modulatore è solitamente fissato al punto di polarizzazione ortogonale, ma non può ancora soddisfare i requisiti del collegamento fotonico a microonde per la linearità del modulatore.Sono urgentemente necessari modulatori elettro-ottici con elevata linearità.
La modulazione dell'indice di rifrazione ad alta velocità dei materiali di silicio è solitamente ottenuta mediante l'effetto di dispersione del plasma del portatore libero (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 si presentano eccellentimodulazione elettro-otticaproprietà grazie 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 il processo dei semiconduttori, l'uso di niobato di litio a film sottile per realizzare un modulatore elettro-ottico ad alte prestazioni, rispetto al silicio quasi nessuna “piastra corta”, ma anche per ottenere un’elevata linearità.Il modulatore elettro-ottico a film sottile di niobato di litio (LNOI) su isolante è diventato una direzione di sviluppo promettente.Con lo sviluppo della tecnologia di preparazione del materiale al niobato di litio a film sottile e della tecnologia di incisione della guida d'onda, l'elevata efficienza di conversione e la maggiore integrazione del modulatore elettroottico al niobato di litio a film sottile sono diventati il campo 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 di niobato di litio: se il centro della rivoluzione elettronica prende il nome dal materiale di silicio che lo rende possibile, allora è probabile che il luogo di nascita della rivoluzione fotonica prenda il nome dal niobato di litio .Questo perché il niobato di litio integra l'effetto elettro-ottico, l'effetto acusto-ottico, l'effetto piezoelettrico, l'effetto termoelettrico e l'effetto fotorifrattivo in uno, proprio come i materiali di 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 di 1550 nm.SiO2 e nitruro di silicio hanno le migliori caratteristiche di trasmissione e la perdita può raggiungere il livello di ~ 0,01 dB/cm;Allo stato attuale, la perdita della guida d'onda della guida d'onda a film sottile di niobato di litio può raggiungere il livello di 0,03 dB/cm, e la perdita della guida d'onda a film sottile di niobato di litio ha il potenziale per essere ulteriormente ridotta con il continuo miglioramento del livello tecnologico nel settore. futuro.Pertanto, il materiale di niobato di litio a film sottile mostrerà buone prestazioni per strutture leggere passive come percorso fotosintetico, shunt e microanelli.
In termini di generazione della luce, solo InP ha la capacità di emettere luce direttamente;Pertanto, per l'applicazione dei fotoni a microonde, è necessario introdurre la sorgente luminosa basata su InP sul chip fotonico integrato basato su LNOI mediante backloading della saldatura o crescita epitassiale.In termini di modulazione della luce, è stato sottolineato sopra che il materiale di niobato di litio a film sottile è più facile da ottenere con una larghezza di banda di modulazione più ampia, una tensione di semionda inferiore e una perdita di trasmissione inferiore rispetto a InP e Si.Inoltre, l’elevata linearità della modulazione elettro-ottica dei materiali a film sottile di niobato di litio è essenziale per tutte le applicazioni di fotoni a microonde.
In termini di instradamento ottico, la risposta elettro-ottica ad alta velocità del materiale in niobato di litio a film sottile rende l'interruttore ottico basato su LNOI capace di commutazione di instradamento ottico ad alta velocità e anche il consumo energetico di tale commutazione ad alta velocità è molto basso.Per l'applicazione tipica della tecnologia fotonica a microonde integrata, il chip beamforming a controllo ottico ha la capacità di commutazione ad alta velocità per soddisfare le esigenze di scansione rapida del raggio e le caratteristiche di consumo energetico ultrabasso si adattano bene ai severi requisiti di grandi dimensioni sistema Phased Array su larga scala.Sebbene l'interruttore ottico basato su InP possa anche realizzare una commutazione del percorso ottico ad alta velocità, introdurrà un notevole rumore, soprattutto quando l'interruttore ottico multilivello è collegato in cascata, il coefficiente di rumore sarà gravemente deteriorato.I materiali di silicio, SiO2 e nitruro di silicio possono commutare i percorsi ottici solo attraverso l'effetto termo-ottico o l'effetto di dispersione del portatore, che presenta gli svantaggi di un elevato consumo energetico e di una bassa velocità di commutazione.Quando la dimensione dell'array a fasi è grande, non può soddisfare i requisiti di consumo energetico.
In termini di amplificazione ottica, ilamplificatore ottico a semiconduttore (SOA) basato su InP è maturo per l'uso commerciale, ma presenta gli svantaggi di un elevato coefficiente di rumore e di una bassa potenza di uscita di saturazione, che non favorisce l'applicazione di fotoni a microonde.Il processo di amplificazione parametrica della guida d'onda in niobato di litio a film sottile basato sull'attivazione e l'inversione periodica può ottenere un'amplificazione ottica su chip a basso rumore e ad alta potenza, che può ben soddisfare i requisiti della tecnologia fotonica a microonde integrata per l'amplificazione ottica su chip.
In termini di rilevamento della luce, il film sottile di niobato di litio ha buone caratteristiche di trasmissione alla luce nella banda di 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.Le unità di rilevamento InGaAs o Ge-Si devono essere introdotte su chip integrati fotonici basati su LNOI retrocaricando la saldatura o la crescita epitassiale.In termini di accoppiamento con la fibra ottica, poiché la fibra ottica stessa è materiale SiO2, il campo modale della guida d'onda SiO2 ha 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 di niobato di litio a film sottile è di circa 1μm, che è abbastanza diverso dal campo modale della fibra ottica, quindi è necessario eseguire una corretta trasformazione spot modale per corrispondere al campo modale della fibra ottica.
In termini di integrazione, se i vari materiali hanno un elevato potenziale di integrazione dipende principalmente dal raggio di curvatura della guida d'onda (influenzato dalla limitazione del campo della modalità della guida d'onda).La guida d'onda fortemente ristretta consente un raggio di curvatura più piccolo, che è più favorevole alla realizzazione 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 film sottile di niobato di litio consente al materiale di niobato di litio di svolgere realmente il ruolo di “silicio” ottico.Per l'applicazione dei fotoni a microonde, i vantaggi del niobato di litio a film sottile sono più evidenti.
Orario di pubblicazione: 23 aprile 2024