Bộ điều chế quang điện lithium niobate màng mỏng tích hợp cao hơn

Độ tuyến tính caobộ điều biến quang điệnvà ứng dụng photon vi sóng
Với yêu cầu ngày càng cao của hệ thống thông tin liên lạc, để nâng cao hơn nữa hiệu suất truyền tín hiệu, con người sẽ hợp nhất các photon và electron để đạt được những ưu điểm bổ sung, và quang tử vi sóng sẽ ra đời. Bộ điều biến quang điện là cần thiết để chuyển đổi điện thành ánh sáng tronghệ thống quang tử vi sóngvà bước quan trọng này thường quyết định hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Vì việc chuyển đổi tín hiệu tần số vô tuyến sang miền quang là một quá trình tín hiệu tương tự và thông thườngbộ điều biến quang điệncó tính chất phi tuyến vốn có, nên có hiện tượng méo tín hiệu nghiêm trọng trong quá trình chuyển đổi. Để đạt được điều chế tuyến tính gần đúng, điểm vận hành của bộ điều biến thường được cố định tại điểm phân cực trực giao, nhưng nó vẫn không thể đáp ứng các yêu cầu của liên kết photon vi sóng về tính tuyến tính của bộ điều biến. Bộ điều biến quang điện có độ tuyến tính cao là rất cần thiết.

Việc điều chế chiết suất tốc độ cao của vật liệu silicon thường đạt được nhờ hiệu ứng phân tán plasma chất mang tự do (FCD). Cả hiệu ứng FCD và điều chế tiếp giáp PN đều phi tuyến, điều này làm cho bộ điều biến silicon kém tuyến tính hơn bộ điều biến lithium niobate. Vật liệu lithium niobate thể hiện sự xuất sắcđiều chế quang điệntính chất do hiệu ứng Pucker của chúng. Đồng thời, vật liệu lithium niobate có ưu điểm là băng thông lớn, đặc tính điều chế tốt, tổn hao thấp, dễ tích hợp và tương thích với quá trình bán dẫn, sử dụng lithium niobate màng mỏng để chế tạo bộ điều biến quang điện hiệu suất cao, so với silicon hầu như không có “tấm ngắn” mà còn đạt được độ tuyến tính cao. Bộ điều chế quang điện lithium niobate (LNOI) màng mỏng trên chất cách điện đã trở thành một hướng phát triển đầy hứa hẹn. Với sự phát triển của công nghệ chuẩn bị vật liệu lithium niobate màng mỏng và công nghệ khắc ống dẫn sóng, hiệu suất chuyển đổi cao và tích hợp cao hơn của bộ điều chế quang điện lithium niobate màng mỏng đã trở thành lĩnh vực của giới học thuật và công nghiệp quốc tế.

Đặc điểm của lithium niobate màng mỏng
Tại Hoa Kỳ, quy hoạch DAP AR đã đưa ra đánh giá sau về vật liệu lithium niobate: nếu trung tâm của cuộc cách mạng điện tử được đặt theo tên của vật liệu silicon tạo ra điều đó, thì nơi ra đời của cuộc cách mạng quang tử có thể sẽ được đặt theo tên của lithium niobate . Điều này là do lithium niobate tích hợp hiệu ứng quang điện, hiệu ứng quang âm, hiệu ứng áp điện, hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng khúc xạ trong một, giống như vật liệu silicon trong lĩnh vực quang học.

Xét về đặc tính truyền dẫn quang, vật liệu InP có tổn thất truyền dẫn trên chip lớn nhất do hấp thụ ánh sáng ở dải tần 1550nm thường được sử dụng. SiO2 và silicon nitride có đặc tính truyền tốt nhất và tổn thất có thể đạt tới mức ~ 0,01dB/cm; Hiện tại, sự suy giảm ống dẫn sóng của ống dẫn sóng lithium niobate màng mỏng có thể đạt tới mức 0,03dB / cm và sự mất mát của ống dẫn sóng lithium niobate màng mỏng có khả năng giảm hơn nữa với sự cải tiến liên tục của trình độ công nghệ trong tương lai. Do đó, vật liệu lithium niobate màng mỏng sẽ cho hiệu suất tốt đối với các cấu trúc ánh sáng thụ động như đường quang hợp, shunt và microring.

Về khả năng phát sáng, chỉ InP mới có khả năng phát sáng trực tiếp; Do đó, để ứng dụng các photon vi sóng, cần phải đưa nguồn sáng dựa trên InP trên chip tích hợp quang tử dựa trên LNOI bằng phương pháp hàn tải ngược hoặc tăng trưởng epiticular. Về mặt điều chế ánh sáng, người ta đã nhấn mạnh ở trên rằng vật liệu lithium niobate màng mỏng dễ dàng đạt được băng thông điều chế lớn hơn, điện áp nửa sóng thấp hơn và tổn thất truyền tải thấp hơn InP và Si. Hơn nữa, tính tuyến tính cao của điều chế quang điện của vật liệu lithium niobate màng mỏng là điều cần thiết cho tất cả các ứng dụng photon vi sóng.

Về mặt định tuyến quang, phản ứng quang điện tốc độ cao của vật liệu lithium niobate màng mỏng làm cho bộ chuyển mạch quang dựa trên LNOI có khả năng chuyển mạch định tuyến quang tốc độ cao và mức tiêu thụ điện năng của chuyển mạch tốc độ cao như vậy cũng rất thấp. Đối với ứng dụng điển hình của công nghệ photon vi sóng tích hợp, chip tạo chùm tia được điều khiển quang học có khả năng chuyển đổi tốc độ cao để đáp ứng nhu cầu quét chùm tia nhanh và đặc tính tiêu thụ điện năng cực thấp phù hợp với yêu cầu nghiêm ngặt của kích thước lớn. -hệ thống mảng pha quy mô. Mặc dù công tắc quang dựa trên InP cũng có thể thực hiện chuyển mạch đường dẫn quang tốc độ cao, nhưng nó sẽ gây ra nhiễu lớn, đặc biệt là khi công tắc quang đa cấp được xếp tầng, hệ số nhiễu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Vật liệu silicon, SiO2 và silicon nitride chỉ có thể chuyển đổi đường quang thông qua hiệu ứng quang nhiệt hoặc hiệu ứng phân tán sóng mang, có nhược điểm là tiêu thụ điện năng cao và tốc độ chuyển đổi chậm. Khi kích thước mảng của mảng pha lớn, nó không thể đáp ứng yêu cầu tiêu thụ điện năng.

Về mặt khuếch đại quang học,bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) dựa trên InP đã được hoàn thiện để sử dụng cho mục đích thương mại, nhưng nó có nhược điểm là hệ số nhiễu cao và công suất đầu ra bão hòa thấp, không có lợi cho việc ứng dụng các photon vi sóng. Quá trình khuếch đại tham số của ống dẫn sóng lithium niobate màng mỏng dựa trên sự kích hoạt và đảo ngược định kỳ có thể đạt được độ ồn thấp và khuếch đại quang trên chip công suất cao, có thể đáp ứng tốt các yêu cầu của công nghệ photon vi sóng tích hợp để khuếch đại quang trên chip.

Về khả năng phát hiện ánh sáng, lithium niobate màng mỏng có đặc tính truyền tốt với ánh sáng ở dải tần 1550nm. Chức năng chuyển đổi quang điện không thể thực hiện được nên đối với các ứng dụng photon vi sóng, nhằm đáp ứng nhu cầu chuyển đổi quang điện trên chip. Các thiết bị phát hiện InGaAs hoặc Ge-Si cần được giới thiệu trên các chip tích hợp quang tử dựa trên LNOI bằng cách hàn tải sau hoặc tăng trưởng epiticular. Về khả năng ghép với sợi quang, do bản thân sợi quang là vật liệu SiO2 nên trường chế độ của ống dẫn sóng SiO2 có mức độ khớp cao nhất với trường chế độ của sợi quang và việc ghép là thuận tiện nhất. Đường kính trường chế độ của ống dẫn sóng bị hạn chế mạnh của lithium niobate màng mỏng là khoảng 1μm, khá khác so với trường chế độ của sợi quang, do đó phải thực hiện chuyển đổi điểm chế độ thích hợp để phù hợp với trường chế độ của sợi quang.

Về mặt tích hợp, liệu các vật liệu khác nhau có khả năng tích hợp cao hay không phụ thuộc chủ yếu vào bán kính uốn của ống dẫn sóng (bị ảnh hưởng bởi giới hạn của trường chế độ ống dẫn sóng). Ống dẫn sóng bị hạn chế mạnh mẽ cho phép bán kính uốn nhỏ hơn, thuận lợi hơn cho việc thực hiện tích hợp cao. Do đó, ống dẫn sóng lithium niobate màng mỏng có khả năng đạt được khả năng tích hợp cao. Do đó, sự xuất hiện của lithium niobate màng mỏng khiến vật liệu lithium niobate thực sự có thể đóng vai trò là “silicon” quang học. Đối với ứng dụng của các photon vi sóng, ưu điểm của lithium niobate màng mỏng là rõ ràng hơn.