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

Độ tuyến tính caobộ điều biến điện quangvà ứng dụng photon vi sóng
Với yêu cầu ngày càng tăng của hệ thống truyền thông, để cải thiện hơn nữa hiệu quả truyền tín hiệu, con người sẽ kết hợp photon và electron để đạt được lợi thế bổ sung, và photonic vi sóng sẽ ra đời. Bộ điều biến quang điện là cần thiết để chuyển đổi điện thành ánh sáng tronghệ thống photonic vi sóngvà bước quan trọng này thường quyết định hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Vì quá trình 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 phi tuyến tính vốn có, có sự méo tín hiệu nghiêm trọng trong quá trình chuyển đổi. Để đạt được điều chế tuyến tính gần đúng, điểm hoạt động của bộ điều chế thường được cố định tại điểm phân cực trực giao, nhưng vẫn không thể đáp ứng được yêu cầu của liên kết photon vi sóng đối với tính tuyến tính của bộ điều chế. Bộ điều chế điện quang có tính tuyến tính cao đang rất cần thiết.

Điều chế chiết suất tốc độ cao của vật liệu silicon thường đạt được bằng hiệu ứng phân tán plasma mang tự do (FCD). Cả hiệu ứng FCD và điều chế tiếp giáp PN đều phi tuyến tính, khiến bộ điều chế silicon kém tuyến tính hơn bộ điều chế lithium niobate. Vật liệu lithium niobate thể hiện tuyệt vờiđiều 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 thất thấp, dễ tích hợp và tương thích với quy trình bán dẫn, sử dụng màng mỏng lithium niobate để tạo ra bộ điều biến quang điện hiệu suất cao, so với silicon hầu như không có "tấm ngắn", nhưng cũng đạt được độ tuyến tính cao. Bộ điều biến quang điện màng mỏng lithium niobate (LNOI) trên chất cách điện đã trở thành một hướng phát triển đầy hứa hẹn. Với sự phát triển của công nghệ chế tạo vật liệu màng mỏng lithium niobate và công nghệ khắc ống dẫn sóng, hiệu suất chuyển đổi cao và tích hợp cao hơn của bộ điều biến quang điện màng mỏng lithium niobate đã trở thành lĩnh vực của học viện và công nghiệp quốc tế.

Đặc điểm của màng mỏng lithium niobate
Tại Hoa Kỳ, DAP AR planning đã đưa ra đánh giá sau đây về vật liệu lithium niobate: nếu trung tâm của cuộc cách mạng điện tử được đặt theo tên của vật liệu silicon tạo nên điều đó, thì nơi khai sinh ra cuộc cách mạng quang tử có thể 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 quang khúc xạ trong một, giống như vật liệu silicon trong lĩnh vực quang học.

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

Về mặt phát sáng, chỉ có InP có khả năng phát sáng trực tiếp; Do đó, đối với ứng dụng của photon vi sóng, cần phải đưa nguồn sáng dựa trên InP vào chip tích hợp photonic dựa trên LNOI bằng cách hàn ngược hoặc phát triển epitaxial. Về mặt điều chế ánh sáng, đã nhấn mạnh ở trên rằng vật liệu màng mỏng lithium niobate dễ đạt được băng thông điều chế lớn hơn, điện áp nửa sóng thấp hơn và tổn thất truyền dẫn thấp hơn so với InP và Si. Hơn nữa, tính tuyến tính cao của điều chế quang điện của vật liệu màng mỏng lithium niobate 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 màng mỏng lithium niobate làm cho công tắc 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 định hình chùm tia được điều khiển quang học có khả năng chuyển mạch tốc độ cao để đáp ứng nhu cầu quét chùm tia nhanh và các đặc tính tiêu thụ điện năng cực thấp phù hợp với các yêu cầu nghiêm ngặt của hệ thống mảng pha quy mô lớn. Mặc dù công tắc quang dựa trên InP cũng có thể thực hiện chuyển mạch đường quang tốc độ cao, nhưng nó sẽ gây ra tiếng ồn lớn, đặc biệt là khi công tắc quang đa cấp được xếp tầng, hệ số tiếng ồn sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Vật liệu silicon, SiO2 và silicon nitride chỉ có thể chuyển mạch 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 mạch chậm. Khi kích thước mảng của mảng pha lớn, nó không thể đáp ứng được yêu cầu về mức tiêu thụ điện năng.

Về mặt khuếch đại quang học,bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA) dựa trên InP đã trưởng thành để sử dụng 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 photon vi sóng. Quá trình khuếch đại tham số của ống dẫn sóng lithium niobat màng mỏng dựa trên kích hoạt và đảo ngược tuần hoàn có thể đạt được độ nhiễu 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 mặt phát hiện ánh sáng, màng mỏng lithium niobate có đặc tính truyền dẫn tốt đến ánh sáng trong băng tần 1550 nm. Không thể thực hiện được chức năng chuyển đổi quang điện, do đó đối với các ứng dụng photon vi sóng, để đáp ứng nhu cầu chuyển đổi quang điện trên chip. Các đơn vị phát hiện InGaAs hoặc Ge-Si cần được đưa vào chip tích hợp quang tử dựa trên LNOI bằng cách hàn ngược hoặc phát triển epitaxial. Về mặt ghép nối với sợi quang, vì bản thân sợi quang là vật liệu SiO2, trường mode của ống dẫn sóng SiO2 có độ khớp cao nhất với trường mode của sợi quang và việc ghép nối là thuận tiện nhất. Đường kính trường mode của ống dẫn sóng bị hạn chế mạnh của màng mỏng lithium niobate là khoảng 1μm, khá khác so với trường mode của sợi quang, do đó phải thực hiện biến đổi điểm mode thích hợp để khớp với trường mode của sợi quang.

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