TFLN модуляторы на тонкопленочном ниобате лития

Что такое TFLN-модулятор?

Модуляторы на тонкопленочном ниобате лития (TFLN) — это высокоскоростные электрооптические устройства, которые используют ниобат лития в качестве основного материала. Принцип работы устройства основан на эффекте Поккельса, позволяющем эффективно модулировать свет путем приложения электрического поля.

В отличие от традиционных объемных модуляторов из ниобата лития (Bulk LN), которые являются громоздкими и энергозатратными устройствами, TFLN-модуляторы изготавливаются с использованием передовых методов микро- и нано- технологий производства, что делает их более привлекательными для современных технологических решений.

Тонкая пленка ниобата лития толщиной менее микрометра соединяется с подложками из кремния, диоксида кремния или сапфира. Таким образом обеспечивается бесшовное соединение пленки с другими фотонными компонентами и с КМОП-микросхемами (complementary metal-oxide-semiconductor – комплементарная структура металл - оксид - полупроводник), что делает TFLN-модуляторы идеальным решением для фотонных интегральных схем (PIC).

Как работает TFLN-модулятор?

Работа TFLN-модуляторов основывается на эффекте Поккельса. Линейное изменение показателя преломления материала при воздействии внешнего электрического поля особенно ярко проявляется в кристаллах ниобата лития (LiNbO₃), что объясняет выбор именно этого материала. Это позволяет TFLN-модуляторам точно контролировать фазу или интенсивность проходящего через них оптического сигнала.

TFLN-модулятор состоит из нескольких ключевых компонентов:

Таким образом, высокоскоростная модуляция достигается с гораздо меньшими размерами, что делает технологию TFLN подходящей для фотонных интегральных схем нового поколения с высокой плотностью компонентов.

Преимущества TFLN-модуляторов

Технология TFLN сочетает в себе проверенные электрооптические свойства и долговременную стабильность традиционного ниобата лития с гибкостью, масштабируемостью и экономичностью тонкопленочного производства. Благодаря ей стало возможным производство нового класса модуляторов с улучшенными характеристиками и возможностями интеграции. Основные преимущества TFLN-модуляторов:

1. Сверхширокая полоса пропускания (>100 ГГц)

TFLN-модуляторы обеспечивают чрезвычайно высокую скорость модуляции с полосой пропускания более 100 ГГц, что делает их подходящими для оптических систем связи следующего поколения со скоростью передачи данных от 100 Гбит/с и до 1 Тбит/с.

Их высокая скорость работы может быть объяснена как высоким электрооптическим коэффициентом, так и меньшей емкостью устройств за счет тонкой пленочной структуры.

2. Сверхнизкие оптические потери

TFLN-модуляторы отличаются исключительно низкими вносимыми оптическими потерями, часто ниже 2 дБ. Это значительно меньше, чем у традиционных кремниевых фотонных модуляторов, которые обычно испытывают большие потери при распространении и сопряжении сигнала.

Благодаря низким оптическим потерям улучшается качество сигнала и увеличивается расстояние передачи, а уровень требований к оптическим усилителям снижается.

3. Компактный размер и простота интеграции

Тонкопленочная структура, лежащая в основе модулятора, обеспечивает эффективное удержание как оптических, так и электрических полей, что сокращает длину модуляции и уменьшает занимаемую устройством площадь. Это упрощает его интеграцию в фотонные интегральные схемы (PIC).

4. Низкое управляющее напряжение (V_p)

TFLN-модуляторы работают с очень низким полуволновым напряжением (V_p), часто ниже 2 В. Таким образом, модулятору требуется меньше энергии для достижения того же оптического фазового сдвига, благодаря чему снижается энергопотребление и становится возможным использование стандартной управляющей электроники CMOS-уровня. Поэтому TFLN-модуляторы – походящее решение для энергозависимых приложений, например, соединения между центрами обработки данных.

5. Совместимость с КМОП-производством

Одним из главных преимуществ технологии TFLN является ее совместимость с процессами КМОП-производства. Модуляторы TFLN могут быть изготовлены с использованием кремний-совместимых подложек и технологий изготовления для массового производства пластин, что не только снижает производственные затраты, но и облегчает совместную интеграцию с электронными компонентами для ускорения разработки полностью интегрированных оптоэлектронных систем.

TFLN-модуляторы революционизируют высокоскоростную фотонику и готовы стать краеугольными технологиями в оптической связи, квантовой фотонике и интегрированных фотонных вычислительных платформах.

Модуляторы TFLN – это настоящая революция в сфере высокоскоростной фотоники. Совсем скоро они станут главной технологией в оптической связи, квантовой фотонике и интегрированных фотонных вычислительных платформах.

Основные области применения TFLN-модуляторов

Благодаря быстрому развитию таких технологий, как 5G/6G, облачных вычислений и искусственного интеллекта, резко возрос спрос на быстрые, эффективные и меньшие по размеру оптические компоненты.
Благодаря своим исключительным рабочим характеристикам модуляторы на тонкопленочном ниобате лития (TFLN) оказывают значительное влияние на многие области применения:

1. Системы оптической связи

TFLN-модуляторы являются ключевыми компонентами в современных сетях оптической связи, включая городские, магистральные и подводные системы передачи данных. Их широкая полоса пропускания и низкие вносимые потери обеспечивают передачу данных на большие расстояния с минимальными искажениями сигнала. Магистральные сети, а также сети доступа используют TFLN-модуляторы для стабильной модуляции со скоростью передачи данных 100 ГБит/с, 200 Гбит/с и 400 Гбит/с и выше.

2. Межсоединения центров обработки данных (DCI)

По мере того как центры обработки данных масштабируются, чтобы удовлетворить растущие объемы данных, генерируемых облачными сервисами и системами ИИ, спрос на высокопроизводительные межсоединения быстро растет. Их небольшой размер и совместимость с КМОП-электроникой позволяют легко интегрировать их в приемопередающие модули и PIC (фотонные интегральные схемы), увеличивая пропускную способность при одновременном сведении к минимуму энергопотребления и сложности системы.

3. ЛиДАР (обнаружение света и определение дальности)

Лидарные системы играют важную роль в робототехнике, автономном вождении и аэрофотосъемке, используя точную оптическую модуляцию для генерации лазерных импульсов, которые впоследствии подвергаюся анализу. Модуляторы TFLN обеспечивают высокую скорость модуляции, малую задержку и превосходную оптическую точность – идеально подходят для передовых лидарных систем.

Быстрая реакция и высокий коэффициент затухания позволяют проводить более точные измерения расстояния и скорости, что имеет решающее значение для систем мониторинга окружающей среды в режиме реального времени, таких как беспилотные летательные аппараты и системы промышленной автоматизации.

4. Фотонные вычисления и квантовая коммуникация.

Поскольку традиционные электронные вычисления приближаются к своим физическим и энергетическим пределам, фотонные вычисления (которые используют свет вместо электронов для обработки данных) становятся многообещающей альтернативой. Модуляторы TFLN играют ключевую роль в таких системах, обеспечивая высокоскоростную оптическую модуляцию с низким уровнем шума и возможность сверхбыстрого переключения.

Устройства TFLN обеспечивают высокую линейность и сниженные шумовые характеристики, что особенно важно в квантовых устройствах, где необходимо управлять квантовыми состояниями и передавать их с предельной точностью. Их низкий уровень шума способствует бесперебойной работе протоколов QKD и других квантовых протоколов, функционирование которых зависит от стабильных оптических сигналов.

Сравнение TFLN-модуляторов с другими технологиями модуляции

Являясь технологией электрооптической модуляции нового поколения, TFLN-модуляторы сочетают в себе превосходные электрооптические свойства ниобата лития с передовыми технологиями микро-и нанопроизводства.  Они превосходят традиционные объемные модуляторы на основе ниобата лития и кремниевые фотонные модуляторы по нескольким ключевым параметрам. В таблице ниже приведено сравнение основных характеристик этих трех распространенных типов модуляторов:

Модуляторы TFLN обеспечивают превосходный баланс между высокой полосой пропускания, низкими потерями и напряжением, компактными размерами и оптимальной производительностью, что делает их одной из наиболее совершенных и перспективных технологий модуляции на сегодняшний день. Благодаря постоянному совершенствованию технологических процессов TFLN готова стать основным решением для высокоскоростной оптической связи нового поколения и фотонной интеграции.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» представляет модуляторы на основе тонкопленочного ниобата лития (TFLN) от лидера в области фотонных технологий Neon— передовое решение, разработанное для удовлетворения высоких требований беспроводных систем связи нового поколения, радиолокационных систем и сверхскоростных оптических сетей:

TFLN - амплитудный модулятор. Рабочая длина волны 1550 нм. Полоса модуляции до 40 ГГц. Вносимые потери 4,5 дБ.

TFLN-15 - амплитудный модулятор без источника света. Рабочая длина волны 1550 нм. Коэффициент экстинкции более 20 дБ.

TFLN-13 - амплитудный модулятор без источника света. Рабочая длина волны 1310 нм. Коэффициент экстинкции более 20 дБ.

TFLN-I-15 - амплитудный модулятор на основе кристалла. Рабочая длина волны 1550 нм.

TFLN-I-13 - амплитудный модулятор на основе кристалла. Рабочая длина волны 1310 нм.

В модуляторах Neon TFLN используются передовые технологии фотоники на основе тонкопленочного ниобата лития, что позволяет преодолеть традиционные ограничения, связанные с массивными устройствами на основе ниобата лития. Это становится возможным благодаря передовым технологиям изготовления субмикронных волноводов с низкими потерями, позволяющих создавать субмикронные устройства без существенного уменьшения их размеров или производительности. При аналогичных уровнях полуволнового напряжения они превосходят даже традиционные кремниевые и InP-модуляторы.

Наши модуляторы оснащены точно оптимизированными электродами бегущей волны, что обеспечивает сверхширокую электрооптическую полосу пропускания свыше 100 ГГц. Это делает модуляторы Neon TFLN идеальными для приложений, требующих сверхбыстрой обработки сигналов, малой задержки и высокой пропускной способности.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является официальным дистрибьютором представленных решений и оказывает техническую поддержку на территории России и ЕАЭС.

Наши специалисты будут рады предоставить любую дополнительную информацию и подобрать оптимальное решение для ваших задачи. Для оформления заказа или получения консультации, пожалуйста, свяжитесь с нами.