TFLN / TFLT για πλατφόρμα SiPh για υπερ-γρήγορους οπτικούς διαμορφωτές χαμηλής ισχύος

TFLN (Thin-Film Lithium Niobate) and TFLT (Thin-Film Lithium Tantalate) integrated on Silicon Photonics (SiPh) platforms represent a next-generation heterogeneous photonic integration technology designed for ultra-high-speed optical modulation.

Ενώ η φωτονική του πυριτίου (SiPh) παρέχει εξαιρετική συμβατότητα CMOS και ικανότητα ολοκλήρωσης μεγάλης κλίμακας, είναι βασικά περιορισμένη από την απουσία ισχυρού ηλεκτρο-οπτικού (Pockels) αποτελέσματος.Ως αποτέλεσμα, οι παραδοσιακοί διαμορφωτές πυριτίου υποφέρουν από υψηλότερη κατανάλωση ενέργειας, περιορισμένο εύρος ζώνης και μειωμένη γραμμικότητα διαμόρφωσης.

Η τεχνολογία αυτή συνδυάζει, μέσω της ενσωμάτωσης νιοβατικού λιθίου (LiNbO3) ή τανταλατικού λιθίου (LiTaO3) λεπτής ταινίας σε πλατφόρμες κυματοδηγού από πυρίτιο μέσω σύνδεσης με πλακίδια ή υβριδικής ενσωμάτωσης:

• Η υπερ-γρήγορη ηλεκτρο-οπτική ανταπόκριση του TFLN / TFLT
• Η κλιμακωτότητα και η κατασκευαστικότητα της φωτονικής πυριτίου

Αυτή η υβριδική αρχιτεκτονική επιτρέπει συμπαγή, ενεργειακά αποδοτική και υπερ-υψηλού εύρους ζώνης φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (PIC) για τα συστήματα οπτικής επικοινωνίας επόμενης γενιάς.

Βασικά υλικά

Λιθιονιοβατικό λεπτόφυλλο (TFLN)

Το TFLN είναι ευρέως αναγνωρισμένο ως το κορυφαίο υλικό για την υψηλής ταχύτητας ηλεκτρο-οπτική διαμόρφωση λόγω του ισχυρού αποτελέσματος Pockels.Επιτρέπει εξαιρετικά γρήγορη διαμόρφωση του δείκτη διάθλασης με πολύ χαμηλή οπτική απώλεια, καθιστώντας το ιδανικό για υψηλής απόδοσης οπτικούς διαμορφωτές σε συνεχή συστήματα επικοινωνίας.

Τανταλάτης λιθίου λεπτής ταινίας (TFLT)

Το TFLT προσφέρει ηλεκτρο-οπτικές ιδιότητες συγκρίσιμες με το TFLN, αλλά με βελτιωμένη θερμική σταθερότητα, υψηλότερο όριο οπτικής βλάβης και μειωμένη παράκαμψη συνεχούς ρεύματος.Τα χαρακτηριστικά αυτά το καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλο για υψηλής ισχύος, μακροπρόθεσμα και περιβαλλοντικά σταθερά φωτονικά συστήματα.

Γιατί να συνδυάσουμε το TFLN / TFLT με τη Φωτονική Σίλικον;

Μόνο η φωτονική του πυριτίου βασίζεται στο φαινόμενο διάσπασης πλάσματος, το οποίο εισάγει εγγενείς περιορισμούς:

• Καμία εγγενής γραμμική ηλεκτροφωτική επίδραση (Pockels)
• Μεγαλύτερη οπτική απώλεια κατά τη διάρκεια της διαμόρφωσης
• Περιορισμένη γραμμικότητα για προηγμένες μορφές διαμόρφωσης

Με την ενσωμάτωση του TFLN ή του TFLT στο SiPh, η πλατφόρμα επιτυγχάνει:

• Υπερυψηλό εύρος ζώνης διαμόρφωσης (> 100 GHz)
• Σημαντικά χαμηλότερη τάση κίνησης (μείωση Vπ)
• Βελτιωμένη ακεραιότητα και γραμμικότητα του σήματος
• Οπτική διάδοση χαμηλής απώλειας
• Συμβατότητα με την κατασκευή CMOS μεγάλης κλίμακας

Τεχνολογίες ολοκλήρωσης

1. Η ετερογενής ολοκλήρωση που συνδέεται με πλάκες (SiPh + TFLN/TFLT)

Σε αυτή την προσέγγιση, το νιοβάτη ή το τανταλάτη λιθίου λεπτής ταινίας συνδέεται με προκατασκευασμένους κυματοδηγούς πυριτίου ή νιτρικού πυριτίου.

• Οπτική ζεύξη μέσω αλληλεπίδρασης πεδίου
• Πλήρως συμβατό με τις διαδικασίες CMOS φωτονικής πυριτίου
• Για την κατασκευή πλακών σε μεγάλη κλίμακα
• Εξισορροπημένη απόδοση και επεκτασιμότητα

2Κατευθείαν χαραγμένοι κυματοδείκτες (LNOI / LTOI)

Οι κυματοδρόμοι έχουν μοτίβο απευθείας στο λεπτό φιλμ του νιοβατικού ή του τανταλατικού λιθίου.

• Ισχυρός οπτικός περιορισμός σε ηλεκτρο-οπτικό υλικό
• Μέγιστη απόδοση διαμόρφωσης
• Μεγαλύτερη απόδοση συσκευής σε μικρότερο αποτύπωμα
• Πιο περίπλοκη διαδικασία κατασκευής

Επισκόπηση της δομής συσκευής

Υβριδική συστοιχία SiPh + TFLN/TFLT:

• Σημείο οδήγησης κυμάτων από πυρίτιο ή SiN (οπτικό στρώμα καθοδήγησης)
• στρώμα σύνδεσης SiO2
• Τάγμα λεπτής επιφάνειας LiNbO3 / LiTaO3 (~ 300~600 nm)
• Ηλεκτρόδια ραδιοσυχνοτήτων για ηλεκτρική κίνηση υψηλής ταχύτητας

Σύγκριση επιδόσεων

Κύρια πλεονεκτήματα

Υπερ-υψηλής ταχύτητας διαμόρφωση

Υποστηρίζει εύρη ζώνης διαμόρφωσης άνω των 100 GHz, επιτρέποντας τα συστήματα οπτικής μετάδοσης 400G, 800G και 1.6T.

Λειτουργία χαμηλής ισχύος

Η μειωμένη Vπ μειώνει σημαντικά τις απαιτήσεις ισχύος κίνησης RF σε σύγκριση με τους συμβατικούς διαμορφωτές πυριτίου.

Ανώτερη οπτική απόδοση

Η χαμηλή απώλεια εξάπλωσης και ο υψηλός δείκτης διάθλασης επιτρέπουν συμπαγή φωτονική ολοκλήρωση υψηλής πυκνότητας.

Θερμική και μακροπρόθεσμη σταθερότητα (πλεονέκτημα TFLT)

Το TFLT παρέχει εξαιρετική αντοχή στις διακυμάνσεις θερμοκρασίας και ελάχιστη μετατόπιση συνεχούς ρεύματος, εξασφαλίζοντας σταθερή μακροχρόνια λειτουργία σε απαιτητικά περιβάλλοντα.

CMOS-συμβατή κλίμακα

Η ολοκλήρωση σύνδεσης κυλίνδρων επιτρέπει τη συμβατότητα με την τυποποιημένη κατασκευή φωτονικής πυριτίου, υποστηρίζοντας την επεκτατική παραγωγή.

Περιοχές εφαρμογής

• Οπτικές διασυνδέσεις κέντρου δεδομένων (400G / 800G / 1.6T)
• Συνοδευτικά οπτικά συστήματα επικοινωνίας
• Φωτονική μικροκυμάτων και συνδέσεις ραδιοσυχνοτήτων μέσω ινών
• Φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (PIC)
• Συστήματα ανίχνευσης LiDAR και οπτικής ανίχνευσης
• Πλατφόρμες διαμόρφωσης λέιζερ υψηλής ισχύος

Οδηγός επιλογής

Επιλέξτε TFLN εάν:

• Η μέγιστη ταχύτητα διαμόρφωσης είναι η προτεραιότητα
• Στοχεύετε σε ώριμα τηλεπικοινωνιακά ή datacom οικοσυστήματα
• Απαιτείται εξαιρετικά υψηλή απόδοση εύρους ζώνης

Επιλέξτε TFLT εάν:

• Η μακροπρόθεσμη σταθερότητα είναι κρίσιμη
• Απαιτείται χειρισμός υψηλής οπτικής ισχύος
• Η χαμηλή ροή συνεχούς ρεύματος και η θερμική ανθεκτικότητα είναι σημαντικές

Γενικές ερωτήσεις

1Γιατί το TFLN/TFLT είναι ανώτερο από τους μονωτήρες μόνο με πυρίτιο;

Επειδή εισάγει ένα ισχυρό γραμμικό ηλεκτρο-οπτικό αποτέλεσμα (Pockels), επιτρέποντας πολύ ταχύτερη διαμόρφωση, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας,και μειωμένη οπτική απώλεια σε σύγκριση με την επίδραση διάσπασης πλάσματος του πυριτίου.

2Τι είναι η εφεδρική σύνδεση στην ολοκλήρωση SiPh;

Είναι ένας μηχανισμός όπου το φως που διαδίδεται σε έναν κυματοδηγό πυριτίου επεκτείνει το οπτικό του πεδίο στο συνδεδεμένο στρώμα νιοβατικού/τανταλικού λιθίου, επιτρέποντας αποτελεσματική διαμόρφωση χωρίς πλήρη μεταφορά συνθηκών.

3Είναι κατάλληλη αυτή η τεχνολογία για μαζική παραγωγή;

Η σύνδεση σε κλίμακα κυψελών και οι συμβατές με CMOS διαδικασίες το κάνουν κατάλληλο για κατασκευή μεγάλου όγκου σε προηγμένες πλατφόρμες φωτονικής ολοκλήρωσης.