מודולטור אלקטרו-אופטי משולב גבוה יותר של ליתיום ניובט בשכבה דקה

ליניאריות גבוההמודולטור אלקטרו-אופטיויישום פוטון מיקרוגל
עם הדרישות הגוברות של מערכות תקשורת, על מנת לשפר עוד יותר את יעילות העברת האותות, אנשים ימזגו פוטונים ואלקטרונים כדי להשיג יתרונות משלימים, ופוטוניקה של מיקרוגל תיוולד. מודולטור אלקטרו-אופטי נחוץ להמרת חשמל לאור ב...מערכות פוטוניות במיקרוגל, ושלב מפתח זה קובע בדרך כלל את ביצועי המערכת כולה. מכיוון שהמרת אות תדר רדיו לתחום אופטי היא תהליך אות אנלוגי, ותהליכים רגיליםמודולטורים אלקטרו-אופטייםבעלי אי-לינאריות מובנית, קיים עיוות אות חמור בתהליך ההמרה. על מנת להשיג אפנון ליניארי מקורב, נקודת הפעולה של המודולטור קבועה בדרך כלל בנקודת ההטיה האורתוגונלית, אך היא עדיין אינה יכולה לעמוד בדרישות קישור הפוטונים במיקרוגל עבור הליניאריות של המודולטור. מודולטורים אלקטרו-אופטיים בעלי ליניאריות גבוהה נדרשים בדחיפות.

אפנון מקדם השבירה במהירות גבוהה של חומרי סיליקון מושג בדרך כלל על ידי אפקט פיזור פלזמה של נשא חופשי (FCD). גם אפקט ה-FCD וגם אפנון צומת ה-PN אינם ליניאריים, מה שהופך את מודולטור הסיליקון לפחות ליניארי מאשר מודולטור ליתיום ניובט. חומרי ליתיום ניובט מציגים מאפיינים מצוינים.אפנון אלקטרו-אופטיתכונות עקב אפקט הפאקר שלהם. במקביל, לחומר ליתיום ניובט יתרונות של רוחב פס גדול, מאפייני אפנון טובים, הפסדים נמוכים, שילוב קל ותאימות עם תהליכי מוליכים למחצה. השימוש בליתיום ניובט שכבה דקה לייצור מודולטור אלקטרו-אופטי בעל ביצועים גבוהים, כמעט ואינו מכיל "צלחת קצרה" בהשוואה לסיליקון, אך גם משיג ליניאריות גבוהה. מודולטור אלקטרו-אופטי של ליתיום ניובט שכבה דקה (LNOI) על מבודד הפך לכיוון פיתוח מבטיח. עם פיתוח טכנולוגיית הכנת חומרי ליתיום ניובט שכבה דקה וטכנולוגיית איכול מוליכי גל, יעילות ההמרה הגבוהה והשילוב הגבוה יותר של מודולטור אלקטרו-אופטי של ליתיום ניובט שכבה דקה הפכו לתחום של האקדמיה והתעשייה הבינלאומית.

מאפייני ליתיום ניובט שכבה דקה
בארצות הברית, תוכנית DAP AR ביצעה את ההערכה הבאה של חומרי ליתיום ניובט: אם מרכז המהפכה האלקטרונית ייקרא על שם חומר הסיליקון שמאפשר אותה, אזי סביר להניח שמקום הולדתה של מהפכת הפוטוניקה ייקרא על שם ליתיום ניובט. הסיבה לכך היא שליתיום ניובט משלב אפקט אלקטרו-אופטי, אפקט אקוסטו-אופטי, אפקט פיזואלקטרי, אפקט תרמואלקטרי ואפקט פוטו-רפרקטיבי באחד, בדיוק כמו חומרי סיליקון בתחום האופטיקה.

מבחינת מאפייני העברה אופטית, לחומר InP יש את אובדן ההעברה הגדול ביותר על גבי השבב עקב ספיגת אור בתחום ה-1550nm הנפוץ. ל-SiO2 ולסיליקון ניטריד יש את מאפייני ההעברה הטובים ביותר, וההפסד יכול להגיע לרמה של ~ 0.01dB/cm; נכון לעכשיו, אובדן מוליך הגל של מוליך גל ליתיום ניובט דק יכול להגיע לרמה של 0.03dB/cm, וההפסד של מוליך גל ליתיום ניובט דק עשוי להצטמצם עוד יותר עם השיפור המתמיד של הרמה הטכנולוגית בעתיד. לכן, חומר ליתיום ניובט דק יציג ביצועים טובים עבור מבני אור פסיביים כגון נתיב פוטוסינתטי, שאנט ומיקרו-רינג.

מבחינת יצירת אור, רק ל-InP יש את היכולת לפלוט אור ישירות; לכן, עבור יישום פוטוני מיקרוגל, יש צורך להכניס את מקור האור מבוסס InP לשבב פוטוני משולב מבוסס LNOI באמצעות ריתוך בעומס אחורי או גידול אפיטקסיאלי. מבחינת אפנון אור, הודגש לעיל כי חומר ליתיום ניובט דק קל יותר להשיג רוחב פס אפנון גדול יותר, מתח חצי-גל ​​נמוך יותר ואובדן העברה נמוך יותר בהשוואה ל-InP ו-Si. יתר על כן, הלינאריות הגבוהה של האפנון האלקטרו-אופטי של חומרי ליתיום ניובט דק חיונית לכל יישומי פוטוני מיקרוגל.

מבחינת ניתוב אופטי, התגובה האלקטרו-אופטית המהירה של חומר ליתיום ניובט דק הופכת את המתג האופטי מבוסס LNOI למסוגל למיתוג ניתוב אופטי במהירות גבוהה, וצריכת החשמל של מיתוג מהיר כזה נמוכה מאוד. עבור יישום טיפוסי של טכנולוגיית פוטונים משולבת במיקרוגל, לשבב עיצוב האלומה הנשלט אופטית יש יכולת מיתוג במהירות גבוהה כדי לענות על הצרכים של סריקת אלומה מהירה, ומאפייני צריכת החשמל הנמוכה במיוחד מותאמים היטב לדרישות המחמירות של מערכת מערך פאזה בקנה מידה גדול. למרות שמתג אופטי מבוסס InP יכול גם לממש מיתוג נתיב אופטי במהירות גבוהה, הוא יכניס רעש גדול, במיוחד כאשר מתג אופטי רב-מפלסי מחובר, מקדם הרעש ייפגע באופן משמעותי. חומרי סיליקון, SiO2 וסיליקון ניטריד יכולים להחליף נתיבים אופטיים רק באמצעות אפקט תרמו-אופטי או אפקט פיזור נושאי מטען, שיש להם חסרונות של צריכת חשמל גבוהה ומהירות מיתוג איטית. כאשר גודל המערך של המערך הפאזה גדול, הוא אינו יכול לעמוד בדרישות צריכת החשמל.

מבחינת הגברה אופטית, ה-מגבר אופטי מוליך למחצה (סוכנות ניהול תוכן (SOA)) המבוסס על InP הושגה לשימוש מסחרי, אך יש לה חסרונות של מקדם רעש גבוה והספק יציאה רוויה נמוך, שאינם תואמים ליישום של פוטוני מיקרוגל. תהליך הגברה פרמטרי של מוליך גל ליתיום ניובט דק המבוסס על הפעלה והיפוך תקופתיים יכול להשיג הגברה אופטית על-שבב בעלת רעש נמוך והספק גבוה, שיכולה לעמוד היטב בדרישות של טכנולוגיית פוטוני מיקרוגל משולבת להגברה אופטית על-שבב.

מבחינת גילוי אור, לליתיום ניובט שכבה דקה יש מאפייני העברה טובים לאור בתחום ה-1550 ננומטר. לא ניתן לממש את פונקציית ההמרה הפוטואלקטרית, ולכן עבור יישומי פוטונים במיקרוגל, על מנת לענות על צרכי ההמרה הפוטואלקטרית על השבב, יש להכניס יחידות גילוי InGaAs או Ge-Si לשבבים משולבים פוטוניים מבוססי LNOI באמצעות ריתוך בעומס אחורי או גידול אפיטקסיאלי. מבחינת צימוד עם סיב אופטי, מכיוון שהסיב האופטי עצמו עשוי מחומר SiO2, לשדה המצב של מוליך הגל SiO2 יש את דרגת ההתאמה הגבוהה ביותר עם שדה המצב של הסיב האופטי, והצימוד הוא הנוח ביותר. קוטר שדה המצב של מוליך הגל המוגבל מאוד של ליתיום ניובט שכבה דקה הוא כ-1 מיקרומטר, דבר השונה למדי משדה המצב של סיב אופטי, ולכן יש לבצע טרנספורמציה נכונה של נקודת מצב כדי להתאים לשדה המצב של הסיב האופטי.

מבחינת אינטגרציה, האם לחומרים שונים יש פוטנציאל אינטגרציה גבוה תלוי בעיקר ברדיוס הכיפוף של מוליך הגל (מושפע ממגבלת שדה מצב מוליך הגל). מוליך הגל המוגבל מאוד מאפשר רדיוס כיפוף קטן יותר, דבר התורם יותר למימוש אינטגרציה גבוהה. לכן, למוליכי גל של ליתיום ניובט בשכבה דקה יש פוטנציאל להשיג אינטגרציה גבוהה. לכן, הופעתו של ליתיום ניובט בשכבה דקה מאפשרת לחומר ליתיום ניובט למלא באמת את התפקיד של "סיליקון" אופטי. עבור יישום פוטוני מיקרוגל, היתרונות של ליתיום ניובט בשכבה דקה ברורים יותר.