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 nhu cầu ngày càng tăng của hệ thống thông tin liên lạc, để nâng cao hơn nữa hiệu suất truyền tín hiệu, con người sẽ kết hợp photon và electron để đạt được những lợi thế bổ sung, và quang tử vi sóng sẽ ra đời. Bộ điều biến quang điện là cần thiết để chuyển đổi điện năng thành ánh sáng.hệ 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 điện quangDo có tính phi tuyến tính vốn có, quá trình chuyển đổi bị méo tín hiệu nghiêm trọng. 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 yêu cầu về tính tuyến tính của bộ điều chế đối với liên kết photon vi sóng. Do đó, cần có bộ điều chế điện quang có tính tuyến tính cao.

Điều chế chiết suất tốc độ cao của vật liệu silicon thường đạt được nhờ hiệu ứng phân tán plasma hạt tải 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 khả năngđiều chế điện quangĐặc tính này được tạo ra nhờ hiệu ứng nhăn của chúng. Đồng thời, vật liệu lithium niobate có những ưu điểm như băng thông rộng, đặc tính điều chế tốt, tổn hao thấp, dễ tích hợp và tương thích với quy trình bán dẫn, sử dụng màng mỏng lithium niobate để chế tạo bộ điều biến điện quang hiệu suất cao, gần như không có "tấm ngắn" so với silicon, đồng thời đạt được độ tuyến tính cao. Bộ điều biến điện quang lithium niobate màng mỏng (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 lithium niobate màng mỏng và công nghệ khắc ống dẫn sóng, hiệu suất chuyển đổi cao và khả năng tích hợp cao hơn của bộ điều biến điện quang lithium niobate màng mỏng đã trở thành lĩnh vực của học thuật và công nghiệp quốc tế.

Đặc điểm của màng mỏng lithium niobate
Tại Hoa Kỳ, nhóm lập kế 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 vật liệu silicon tạo nên điều đó, thì nơi khai sinh của cuộc cách mạng quang tử rất có thể sẽ được đặt theo tên 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 chiết 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 sự hấp thụ ánh sáng trong dải tần 1550nm thường được sử dụng. SiO2 và silicon nitride có đặc tính truyền dẫn tốt nhất, với mức tổn thất có thể đạt tới ~ 0,01dB/cm; Hiện tại, tổn thất ống dẫn sóng của ống dẫn sóng lithium niobate màng mỏng có thể đạt tới 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 thể hiện hiệu suất tốt đối với các cấu trúc ánh sáng thụ động như đường dẫn quang hợp, shunt và microring.

Về mặt phát sáng, chỉ có InP mới có khả năng phát sáng trực tiếp; do đó, để ứng dụng photon vi sóng, cần phải đưa nguồn sáng dựa trên InP vào chip tích hợp photonic dựa trên LNOI bằng phương pháp hàn backloading hoặc nuôi cấy epitaxial. Về mặt điều chế ánh sáng, đã được nhấn mạnh ở trên rằng vật liệu màng mỏng lithium niobate dễ dàng đạt được băng thông điều chế lớn hơn, điện áp nửa sóng thấp hơn và suy hao 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 yếu tố thiết yếu cho tất cả các ứng dụng photon vi sóng.

Về mặt định tuyến quang học, đáp ứng quang điện tốc độ cao của vật liệu màng mỏng lithium niobate giúp công tắc quang học dựa trên LNOI có khả năng chuyển mạch định tuyến quang học tốc độ cao, và mức tiêu thụ điện năng của chuyển mạch tốc độ cao này cũng rất thấp. Đối với ứng dụng điển hình của công nghệ photon vi sóng tích hợp, chip định hình chùm tia điều khiển quang học có khả năng chuyển mạch tốc độ cao để đáp ứng nhu cầu quét chùm tia nhanh, và 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 học dựa trên InP cũng có thể thực hiện chuyển mạch đường quang tốc độ cao, nhưng nó sẽ gây ra nhiễu lớn, đặc biệt là khi công tắc quang học đa cấp được ghép tầng, hệ số nhiễu 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 tán sắc 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 các 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 hoàn thiện để sử dụng thương mại, nhưng nhược điểm là hệ số nhiễu cao và công suất đầu ra bão hòa thấp, không thuận lợi cho việc ứng dụng photon vi sóng. Quy 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 công suất khuếch đại quang học trên chip cao, đáp ứng tốt các yêu cầu của công nghệ photon vi sóng tích hợp cho khuếch đại quang học trên chip.

Về mặt phát hiện ánh sáng, màng mỏng lithium niobate có đặc tính truyền dẫn tốt đến ánh sáng trong dải 1550 nm. Chức năng chuyển đổi quang điện không thể thực hiện được, 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 các 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 mức độ khớp nối cao nhất với trường mode của sợi quang và việc ghép nối 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 của ống dẫn sóng (bị ảnh hưởng bởi giới hạn của trường mode ống dẫn sóng). Ống dẫn sóng bị hạn chế mạnh cho phép bán kính uốn nhỏ hơn, thuận lợi hơn cho việc đạt được tích hợp cao. Do đó, ống dẫn sóng màng mỏng lithium niobate có tiềm năng đạt được tích hợp cao. Do đó, sự xuất hiện của màng mỏng lithium niobate giúp vật liệu lithium niobate thực sự có thể đóng vai trò của "silicon" quang học. Đối với ứng dụng photon vi sóng, ưu điểm của màng mỏng lithium niobate càng rõ ràng hơn.