Panimula sa Istruktura at Pagganap ng Manipis na Pelikula ng Lithium Niobate Electro optic Modulator

Panimula sa Istruktura at Pagganap ngManipis na Pelikula ng Lithium Niobate Electro optic Modulator
An modulator na elektro-optikobatay sa iba't ibang istruktura, wavelength, at plataporma ng manipis na pelikulang lithium niobate, at isang komprehensibong paghahambing ng pagganap ng iba't ibang uri ngMga modulator ng EOM, pati na rin ang pagsusuri ng pananaliksik at aplikasyon ngmga modulator ng manipis na pelikulang lithium niobatesa ibang mga larangan.

1. Hindi matunog na lukab na manipis na pelikula ng lithium niobate modulator
Ang ganitong uri ng modulator ay batay sa mahusay na electro-optic effect ng lithium niobate crystal at isang mahalagang aparato para sa pagkamit ng high-speed at long-distance optical communication. Mayroong tatlong pangunahing istruktura:
1.1 Traveling wave electrode MZI modulator: Ito ang pinakakaraniwang disenyo. Ang grupong pananaliksik ng Lon č ar sa Harvard University ay unang nakamit ang isang high-performance na bersyon noong 2018, na may mga kasunod na pagpapabuti kabilang ang capacitive loading batay sa mga quartz substrate (mataas na bandwidth ngunit hindi tugma sa silicon-based) at silicon-based compatible batay sa substrate hollowing, na nakakamit ng mataas na bandwidth (>67 GHz) at high-speed signal (tulad ng 112 Gbit/s PAM4) transmission.
1.2 Natitiklop na MZI modulator: Upang paikliin ang laki ng device at umangkop sa mga compact module tulad ng QSFP-DD, ginagamit ang polarization treatment, cross waveguide o inverted microstructure electrodes upang mabawasan ang haba ng device nang kalahati at makamit ang bandwidth na 60 GHz.
1.3Single/Dual Polarization Coherent Orthogonal (IQ) Modulator: Gumagamit ng high-order modulation format upang mapahusay ang transmission rate. Nakamit ng Cai research group sa Sun Yat-sen University ang unang on-chip single polarization IQ modulator noong 2020. Ang dual polarization IQ modulator na binuo sa hinaharap ay may mas mahusay na performance, at ang bersyong batay sa quartz substrate ay nagtakda ng single wavelength transmission rate record na 1.96 Tbit/s.

2. Manipis na pelikulang lithium niobate modulator na uri ng resonant cavity
Para makamit ang mga ultra small at large bandwidth modulator, mayroong iba't ibang resonant cavity structures na magagamit:
2.1 Photonic crystal (PC) at micro ring modulator: Ang grupo ng pananaliksik ni Lin sa University of Rochester ay nakabuo ng unang high-performance photonic crystal modulator. Bukod pa rito, iminungkahi rin ang mga micro ring modulator na nakabatay sa silicon lithium niobate heterogeneous integration at homogenous integration, na nakakamit ng bandwidth na ilang GHz.
2.2Bragg grating resonant cavity modulator: kabilang ang Fabry Perot (FP) cavity, waveguide Bragg grating (WBG), at slow light (SL) modulator. Ang mga istrukturang ito ay dinisenyo upang balansehin ang laki, mga tolerance ng proseso, at pagganap, halimbawa, ang isang 2 × 2 FP resonant cavity modulator ay nakakamit ng napakalaking bandwidth na higit sa 110 GHz. Ang slow light modulator na nakabatay sa coupled Bragg grating ay nagpapalawak ng saklaw ng gumaganang bandwidth.

3. Heterogenous na pinagsamang manipis na pelikulang lithium niobate modulator
May tatlong pangunahing paraan ng integrasyon upang pagsamahin ang pagiging tugma ng teknolohiyang CMOS sa mga platapormang nakabatay sa silicon at ang mahusay na pagganap ng modulasyon ng lithium niobate:
3.1 Heterogenong integrasyon ng uri ng bond: Sa pamamagitan ng direktang pagbigkis sa benzocyclobutene (BCB) o silicon dioxide, ang manipis na pelikulang lithium niobate ay inililipat sa isang plataporma ng silicon o silicon nitride, na nakakamit ng wafer level, matatag na integrasyon sa mataas na temperatura. Ang modulator ay nagpapakita ng mataas na bandwidth (>70 GHz, kahit na lumalagpas sa 110 GHz) at kakayahan sa paghahatid ng signal nang mabilis.
3.2 Magkakaibang integrasyon ng materyal na deposisyon ng waveguide: ang pagdeposito ng silicon o silicon nitride sa manipis na pelikulang lithium niobate bilang isang load waveguide ay nakakamit din ng mahusay na electro-optic modulation.
3.3 Heterogeneous integration ng Micro transfer printing (μ TP): Ito ay isang teknolohiyang inaasahang gagamitin para sa malawakang produksyon, na naglilipat ng mga prefabricated functional device papunta sa mga target chip sa pamamagitan ng mga high-precision na kagamitan, na iniiwasan ang kumplikadong post-processing. Matagumpay itong nailapat sa silicon nitride at mga platform na nakabatay sa silicon, na nakakamit ng bandwidth na sampu-sampung GHz.

Bilang buod, sistematikong binabalangkas ng artikulong ito ang teknolohikal na roadmap ng mga electro-optic modulator batay sa mga thin film lithium niobate platform, mula sa pagsunod sa mga high-performance at malalaking bandwidth na non-resonant cavity structure, paggalugad sa mga miniaturized resonant cavity structure, at pagsasama sa mga mature na silicon-based photonic platform. Ipinapakita nito ang napakalaking potensyal at patuloy na pag-unlad ng mga thin film lithium niobate modulator sa paglutas sa performance bottleneck ng mga tradisyonal na modulator at pagkamit ng high-speed optical communication.