Výhody a význam tenkovrstvého niobátu lithného v integrované mikrovlnné fotonové technologii
Mikrovlnná fotonová technologiemá výhody velké pracovní šířky pásma, silné schopnosti paralelního zpracování a nízké přenosové ztráty, což má potenciál prolomit technické překážky tradičního mikrovlnného systému a zlepšit výkon vojenského elektronického informačního zařízení, jako je radar, elektronický boj, komunikace a měření a řízení. Mikrovlnný fotonový systém založený na diskrétních zařízeních má však některé problémy, jako je velký objem, velká hmotnost a špatná stabilita, které vážně omezují použití mikrovlnné fotonové technologie na vesmírných a vzdušných platformách. Proto se integrovaná mikrovlnná fotonová technologie stává důležitou podporou pro přerušení aplikace mikrovlnného fotonu ve vojenském elektronickém informačním systému a naplno využívá výhody mikrovlnné fotonové technologie.
V současné době se technologie fotonické integrace na bázi SI a technologie fotonické integrace na bázi INP po letech vývoje v oblasti optické komunikace staly stále vyspělejšími a na trh bylo uvedeno mnoho produktů. Pro aplikaci mikrovlnného fotonu však existují určité problémy v těchto dvou typech technologií integrace fotonů: například nelineární elektrooptický koeficient Si modulátoru a InP modulátoru je v rozporu s vysokou linearitou a velkými dynamickými charakteristikami sledovanými mikrovlnami. fotonová technologie; Například křemíkový optický spínač, který realizuje přepínání optických cest, ať už na základě tepelně-optického efektu, piezoelektrického efektu nebo disperzního efektu vstřikování nosiče, má problémy s pomalou rychlostí přepínání, spotřebou energie a spotřebou tepla, které nemohou splnit rychlé paprskové skenování a aplikace mikrovlnných fotonů ve velkém měřítku.
Lithiumniobát byl vždy první volbou pro vysokou rychlostelektrooptická modulacemateriály díky svému vynikajícímu lineárnímu elektrooptickému efektu. Nicméně tradiční lithium niobátelektrooptický modulátorje vyroben z masivního lithiového niobátového krystalového materiálu a velikost zařízení je velmi velká, což nemůže splnit potřeby integrované mikrovlnné fotonové technologie. Jak integrovat lithium niobátové materiály s lineárním elektrooptickým koeficientem do integrovaného systému mikrovlnné fotonové technologie se stalo cílem relevantních výzkumníků. V roce 2018 výzkumný tým z Harvardské univerzity ve Spojených státech poprvé oznámil technologii fotonické integrace založenou na tenkém filmu lithium niobátu v přírodě, protože tato technologie má výhody vysoké integrace, velké šířky pásma elektro-optické modulace a vysoké linearity elektro - optický efekt, jakmile byl spuštěn, okamžitě vyvolal akademickou a průmyslovou pozornost v oblasti fotonické integrace a mikrovlnné fotoniky. Z hlediska aplikace mikrovlnných fotonů tento článek shrnuje vliv a význam technologie integrace fotonů na bázi niobátu lithného v tenké vrstvě na vývoj mikrovlnné fotonové technologie.
Tenkovrstvý lithium niobátový materiál a tenký filmmodulátor lithium niobátu
V posledních dvou letech se objevil nový typ materiálu z niobátu lithia, to znamená, že film z niobátu lithia se odlupuje z masivního krystalu niobátu lithia metodou „krájení iontů“ a připojuje se k Si waferu pomocí křemičité pufrovací vrstvy. z materiálu LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], který se v tomto článku nazývá tenkovrstvý lithium niobátový materiál. Hřebenové vlnovody s výškou více než 100 nanometrů lze leptat na tenkovrstvé materiály z niobátu lithného pomocí optimalizovaného suchého procesu leptání a efektivní rozdíl indexu lomu vytvořených vlnovodů může dosáhnout více než 0,8 (daleko vyšší než rozdíl indexu lomu tradičních lithium niobátové vlnovody 0,02), jak je znázorněno na obrázku 1. Silně omezený vlnovod usnadňuje sladění světelného pole s mikrovlnným polem při navrhování modulátoru. Je tedy výhodné dosáhnout nižšího půlvlnného napětí a větší šířky modulačního pásma při kratší délce.
Vzhled nízkoztrátového submikronového vlnovodu lithium niobátu prolomí překážku vysokého budícího napětí tradičního elektrooptického modulátoru lithium niobátu. Vzdálenost elektrod může být zmenšena na ~ 5 μm a překrytí mezi elektrickým polem a polem optického módu se značně zvětší a vπ ·L se sníží z více než 20 V·cm na méně než 2,8 V·cm. Proto lze při stejném půlvlnném napětí výrazně zkrátit délku zařízení ve srovnání s tradičním modulátorem. Zároveň po optimalizaci parametrů šířky, tloušťky a intervalu elektrody s postupnou vlnou, jak je znázorněno na obrázku, může mít modulátor schopnost ultravysoké modulační šířky pásma větší než 100 GHz.
Obr.1 （a） vypočtené rozdělení vidů a （b） obrázek průřezu vlnovodu LN
Obr.2 （a） Struktura vlnovodu a elektrody a （b） základní deska modulátoru LN
Porovnání tenkovrstvých lithium niobátových modulátorů s tradičními lithium niobátovými komerčními modulátory, modulátory na bázi křemíku a indium fosfid (InP) modulátory a dalšími existujícími vysokorychlostními elektro-optickými modulátory, hlavní parametry srovnání zahrnují:
(1) Půlvlnný součin napětí (vπ ·L, V·cm), měření účinnosti modulace modulátoru, čím menší hodnota, tím vyšší účinnost modulace;
(2) 3 dB modulační pásmo (GHz), které měří odezvu modulátoru na vysokofrekvenční modulaci;
(3) Optický vložný útlum (dB) v modulační oblasti. Z tabulky je vidět, že tenkovrstvý lithiový niobátový modulátor má zjevné výhody v modulační šířce pásma, půlvlnném napětí, ztrátě optické interpolace a tak dále.
Křemík, jako základní kámen integrované optoelektroniky, byl dosud vyvinut, proces je vyspělý, jeho miniaturizace vede k rozsáhlé integraci aktivních/pasivních zařízení a jeho modulátor byl široce a hluboce studován v oblasti optické sdělení. Mechanismus elektro-optické modulace křemíku je hlavně ochabování nosiče, vstřikování nosiče a akumulace nosiče. Mezi nimi je šířka pásma modulátoru optimální s mechanismem ochuzování nosné lineárního stupně, ale protože se distribuce optického pole překrývá s nerovnoměrností oblasti ochuzení, tento efekt zavede nelineární zkreslení druhého řádu a intermodulační zkreslení třetího řádu. ve spojení s absorpčním účinkem nosiče na světlo, což povede ke snížení amplitudy optické modulace a zkreslení signálu.
Modulátor InP má vynikající elektrooptické účinky a vícevrstvá struktura kvantové studny může realizovat modulátory s ultra vysokou rychlostí a nízkým budícím napětím s Vπ·L až 0,156 V · mm. Nicméně změna indexu lomu s elektrickým polem zahrnuje lineární a nelineární členy a zvýšení intenzity elektrického pole způsobí, že efekt druhého řádu bude výrazný. Proto musí křemíkové a InP elektrooptické modulátory aplikovat předpětí, aby vytvořily pn přechod, když fungují, a pn přechod vynese na světlo ztrátu absorpce. Velikost modulátoru těchto dvou je však malá, velikost komerčního modulátoru InP je 1/4 modulátoru LN. Vysoká modulační účinnost, vhodná pro digitální optické přenosové sítě s vysokou hustotou a na krátké vzdálenosti, jako jsou datová centra. Elektrooptický efekt niobátu lithného nemá žádný mechanismus absorpce světla a nízkou ztrátu, což je vhodné pro koherentní na dlouhé vzdálenostioptická komunikaces velkou kapacitou a vysokou rychlostí. V mikrovlnné fotonové aplikaci jsou elektrooptické koeficienty Si a InP nelineární, což není vhodné pro mikrovlnný fotonový systém, který sleduje vysokou linearitu a velkou dynamiku. Lithný niobátový materiál je velmi vhodný pro mikrovlnné fotonové aplikace díky svému zcela lineárnímu elektrooptickému modulačnímu koeficientu.
Čas odeslání: 22. dubna 2024