Độ tuyến tính caobộ điều biến điện quangvà ứng dụng photon vi sóng
Với nhu cầu ngày càng tăng của các hệ thống thông tin liên lạc, để nâng cao hơn nữa hiệu quả truyền tín hiệu, con người sẽ kết hợp photon và electron để đạt được những ưu điểm bổ sung, và quang học vi sóng ra đời. Bộ điều biến điện quang là cần thiết để chuyển đổi điện năng thành ánh sáng.hệ 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 học là một quá trình xử lý tín hiệu tương tự, và thông thườngbộ điều biến điện quangDo có tính phi tuyến vốn có, quá trình chuyển đổi tín hiệu bị méo mó nghiêm trọng. Để đạt được điều chế tuyến tính gần đúng, điểm hoạt động của bộ điều biến thường được cố định tại điểm phân cực vuông góc, nhưng vẫn không đáp ứng được yêu cầu về tính tuyến tính của bộ điều biến trong liên kết photon vi sóng. Do đó, cần gấp các bộ điều biến điện quang có độ tuyến tính cao.
Việc điều biến chiết suất tốc độ cao của vật liệu silicon thường được thực hiện bằng hiệu ứng tán xạ plasma điện tử tự do (FCD). Cả hiệu ứng FCD và điều biến bằng mối nối PN đều không tuyến tính, điều này làm cho bộ điều biến silicon kém tuyến tính hơn so với bộ điều biến niobat lithi. Vật liệu niobat lithi thể hiện đặc tính tuyệt vời.điều chế điện quangCác đặc tính này là do hiệu ứng Pucker của chúng. Đồng thời, vật liệu niobat lithi có ưu điểm là băng thông rộng, đặc tính điều chế tốt, tổn hao thấp, dễ tích hợp và tương thích với quy trình bán dẫn. Việc sử dụng niobat lithi màng mỏng để chế tạo bộ điều biến điện quang hiệu suất cao, so với silicon hầu như không có “cực ngắn”, mà còn đạt được độ tuyến tính cao. Bộ điều biến điện quang niobat lithi màng mỏng (LNOI) trên chất cách điện đã trở thành một hướng phát triển đầy triển vọng. Với sự phát triển của công nghệ chế tạo vật liệu niobat lithi 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 niobat lithi màng mỏng đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu của giới học thuật và công nghiệp quốc tế.
Đặc tính của màng mỏng niobat lithi
Tại Hoa Kỳ, bộ phận lập kế hoạch DAP AR đã đưa ra đánh giá sau về vật liệu niobat lithi: nếu trung tâm của cuộc cách mạng điện tử được đặt tên theo vật liệu silicon tạo nên nó, thì nơi khai sinh ra cuộc cách mạng quang tử rất có thể sẽ được đặt tên theo niobat lithi. Điều này là bởi vì niobat lithi tích hợp hiệu ứng điện quang, hiệu ứng âm quang, hiệu ứng áp điện, hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng quang chiết trong cùng một vật liệu, giống như vật liệu silicon trong lĩnh vực quang học.
Về đặc tính truyền dẫn quang học, vật liệu InP có tổn hao truyền dẫn trên chip lớn nhất do hấp thụ ánh sáng trong dải tần 1550nm thường được sử dụng. SiO2 và silicon nitride có đặc tính truyền dẫn tốt nhất, và tổn hao có thể đạt mức ~ 0,01dB/cm; Hiện nay, tổn hao dẫn sóng của ống dẫn sóng lithium niobate màng mỏng có thể đạt mức 0,03dB/cm, và tổn hao của ống dẫn sóng lithium niobate màng mỏng có tiềm năng được 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 thể hiện hiệu suất tốt cho các cấu trúc ánh sáng thụ động như đường dẫn quang hợp, mạch nhánh và vòng vi mô.
Về khả năng tạo ra ánh sáng, chỉ có InP mới có khả năng phát ra ánh sáng trực tiếp; do đó, để ứng dụng photon vi sóng, cần phải đưa nguồn sáng dựa trên InP vào chip tích hợp quang tử dựa trên LNOI bằng phương pháp hàn tải ngược hoặc tăng trưởng epitaxy. Về khả năng điều biến ánh sáng, như đã nhấn mạnh ở trên, vật liệu niobat lithi màng mỏng dễ dàng đạt được băng thông điều biến lớn hơn, điện áp bán sóng thấp hơn và tổn hao truyền dẫn thấp hơn so với InP và Si. Hơn nữa, tính tuyến tính cao của điều biến điện quang của vật liệu niobat lithi màng mỏng là rất cần thiết cho tất cả các ứng dụng photon vi sóng.
Về định tuyến quang, phản ứng điện quang tốc độ cao của vật liệu niobat lithi màng mỏng giúp bộ chuyển mạch quang dựa trên LNOI có khả năng chuyển mạch định tuyến quang tốc độ cao, đồng thời mức tiêu thụ điện năng cho việc chuyển mạch tốc độ cao này cũng rất thấp. Đối với ứng dụng điển hình của công nghệ photon vi sóng tích hợp, chip tạo 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 rất phù hợp với các yêu cầu nghiêm ngặt của hệ thống mảng pha quy mô lớn. Mặc dù bộ chuyển mạch quang dựa trên InP cũng có thể thực hiện chuyển mạch đường dẫn quang tốc độ cao, nhưng nó sẽ tạo ra nhiễu lớn, đặc biệt khi bộ chuyển mạch quang đa cấp được ghép nối tiếp, hệ số nhiễu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng. Vật liệu silicon, SiO2 và silicon nitride chỉ có thể chuyển mạch đường dẫn quang thông qua hiệu ứng nhiệt quang hoặc hiệu ứng tán xạ sóng mang, có nhược điểm là tiêu thụ điện năng cao và tốc độ chuyển mạch chậm. Khi kích thước mảng pha lớn, nó không thể đáp ứng yêu cầu về mức tiêu thụ điện năng.
Về mặt khuếch đại quang học,bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOACác thiết bị dựa trên InP đã được hoàn thiện để sử dụng thương mại, nhưng chúng có 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. Quá trình khuếch đại tham số của ống dẫn sóng niobat lithi màng mỏng dựa trên kích hoạt và đảo ngược định kỳ có thể đạt được khuếch đại quang học trên chip với độ nhiễu thấp và công suất cao, đáp ứng tốt các yêu cầu của công nghệ photon vi sóng tích hợp cho khuếch đại quang học trên chip.
Về khả năng phát hiện ánh sáng, màng mỏng lithium niobate có đặc tính truyền dẫn ánh sáng tốt trong dải bước sóng 1550 nm. Tuy nhiên, chức năng chuyển đổi quang điện không thể thực hiện được, vì vậy đối với các ứng dụng photon vi sóng, để đáp ứng nhu cầu chuyển đổi quang điện trên chip, cần phải tích hợp các đơn vị phát hiện InGaAs hoặc Ge-Si vào các chip tích hợp quang tử dựa trên LNOI bằng phương pháp hàn nối hoặc tăng trưởng epitaxy. Về khả năng ghép nối với sợi quang, vì bản thân sợi quang là vật liệu SiO2, trường mode của ống dẫn sóng SiO2 có độ phù hợp 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 khoảng 1μm, khá khác biệt so với trường mode của sợi quang, do đó cần phải thực hiện chuyển đổi điểm mode thích hợp để phù hợp với trường mode của sợi quang.
Về mặt tích hợp, liệu 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 sự hạn chế của trường mode ống dẫn sóng). Ống dẫn sóng bị hạn chế mạnh cho phép bán kính uốn cong nhỏ hơn, điều này thuận lợi hơn cho việc thực hiện tích hợp cao. Do đó, ống dẫn sóng niobat lithi màng mỏng có tiềm năng đạt được tích hợp cao. Vì vậy, sự xuất hiện của niobat lithi màng mỏng giúp vật liệu niobat lithi thực sự đóng vai trò là “silicon” quang học. Đối với ứng dụng photon vi sóng, ưu điểm của niobat lithi màng mỏng càng rõ rệt hơn.
Thời gian đăng bài: 23/04/2024