Výhody a význam tenkovrstvého niobátu lithného v integrované mikrovlnné fotonové technologii
Technologie mikrovlnných fotonůMá výhody velké pracovní šířky pásma, silné paralelní zpracování a nízkých přenosových ztrát, což má potenciál prolomit technické úzké hrdlo tradičních mikrovlnných systémů a zlepšit výkon vojenských elektronických informačních zařízení, jako jsou radar, elektronické boje, komunikace a měření a řízení. Mikrovlnné fotonové systémy založené na diskrétních zařízeních však mají určité problémy, jako je velký objem, těžká hmotnost a nízká stabilita, které vážně omezují použití technologie mikrovlnných fotonů ve vesmírných a leteckých platformách. Integrovaná technologie mikrovlnných fotonů se proto stává důležitou oporou pro prolomení aplikace mikrovlnných fotonů ve vojenských elektronických informačních systémech a pro plné využití výhod technologie mikrovlnných fotonů.
V současné době se technologie fotonické integrace založené na SI a INP staly po letech vývoje v oblasti optické komunikace stále vyspělejšími a na trh bylo uvedeno mnoho produktů. Nicméně, pokud jde o aplikace mikrovlnných fotonů, existují u těchto dvou typů technologií fotonové integrace určité problémy: například nelineární elektrooptický koeficient Si modulátoru a InP modulátoru je v rozporu s vysokou linearitou a velkými dynamickými charakteristikami, které technologie mikrovlnných fotonů sleduje. Například křemíkový optický přepínač, který realizuje přepínání optické dráhy, ať už na základě tepelně-optického jevu, piezoelektrického jevu nebo disperzního efektu vstřikování nosičů, má problémy s pomalou rychlostí přepínání, spotřebou energie a spotřebou tepla, což nemůže splňovat požadavky pro aplikace s rychlým skenováním paprsku a velkými poli mikrovlnných fotonů.
Niobát lithný byl vždy první volbou pro vysoké rychlostielektrooptická modulacemateriály díky svému vynikajícímu lineárnímu elektrooptickému efektu. Tradiční niobát lithia všakelektrooptický modulátorje vyroben z masivního krystalického materiálu niobátu lithného a velikost zařízení je velmi velká, což nemůže splňovat potřeby integrované technologie mikrovlnných fotonů. Cílem příslušných výzkumníků se stalo, jak integrovat materiály niobátu lithného s lineárním elektrooptickým koeficientem do integrovaného systému mikrovlnných fotonů. V roce 2018 výzkumný tým z Harvardovy univerzity ve Spojených státech poprvé publikoval v časopise Nature technologii fotonické integrace založené na tenké vrstvě niobátu lithného. Protože tato technologie má výhody vysoké integrace, velké šířky pásma elektrooptické modulace a vysoké linearity elektrooptického efektu, po svém spuštění okamžitě vzbudila akademickou i průmyslovou pozornost v oblasti fotonické integrace a mikrovlnné fotoniky. Z hlediska aplikace mikrovlnných fotonů tento článek shrnuje vliv a význam technologie integrace fotonů založené na tenké vrstvě niobátu lithného na vývoj technologie mikrovlnných fotonů.
Tenkovrstvý materiál z niobátu lithného a tenký filmmodulátor niobátu lithného
V posledních dvou letech se objevil nový typ materiálu na bázi niobátu lithného, a to film niobátu lithného, který je odlupován z masivního krystalu niobátu lithného metodou „iontového řezání“ a spojen s křemíkovou destičkou pomocí vrstvy oxidu křemičitého za vzniku materiálu LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], který je v tomto článku nazýván tenkovrstvým materiálem niobátu lithného. Hřebenové vlnovody s výškou více než 100 nanometrů lze leptat na tenkovrstvé materiály niobátu lithného optimalizovaným procesem suchého leptání a efektivní rozdíl indexu lomu vytvořených vlnovodů může dosáhnout více než 0,8 (mnohem více než rozdíl indexu lomu tradičních vlnovodů niobátu lithného 0,02), jak je znázorněno na obrázku 1. Silně zúžený vlnovod usnadňuje přizpůsobení světelného pole mikrovlnnému poli při návrhu modulátoru. Je tedy výhodné dosáhnout nižšího půlvlnného napětí a větší modulační šířky pásma v kratší délce.
Vznik submikronového vlnovodu z lithium-niobátu s nízkými ztrátami prolomil úzké hrdlo tradičního elektrooptického modulátoru z lithium-niobátu, které spočívá v vysokém budicím napětí. Rozteč elektrod lze zmenšit na ~ 5 μm, čímž se výrazně zvýší překrytí mezi elektrickým polem a optickým módem 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 modulátor dosáhnout ultra vysoké modulační šířky pásma větší než 100 GHz.
Obr. 1 (a) vypočítané rozložení módů a (b) obrázek průřezu LN vlnovodu
Obr. 2 (a) Struktura vlnovodu a elektrody a (b) jádrová deska LN modulátoru
Srovnání tenkovrstvých modulátorů na bázi lithium-niobátu s tradičními komerčními modulátory na bázi lithium-niobátu, modulátory na bázi křemíku a modulátory na bázi fosfidu india (InP) a dalšími existujícími vysokorychlostními elektrooptickými modulátory zahrnuje hlavní parametry srovnání:
(1) Součin voltů a délek půlvlny (vπ ·L, V·cm), měřící modulační účinnost modulátoru, čím menší hodnota, tím vyšší modulační účinnost;
(2) šířka pásma modulace 3 dB (GHz), která měří odezvu modulátoru na vysokofrekvenční modulaci;
(3) Optický vložený útlum (dB) v modulační oblasti. Z tabulky je patrné, že tenkovrstvý modulátor lithium-niobátu má zjevné výhody v modulační šířce pásma, půlvlnném napětí, optickém interpolačním útlumu atd.
Křemík, jakožto základní kámen integrované optoelektroniky, byl dosud vyvinut, proces je zralý, jeho miniaturizace vede k rozsáhlé integraci aktivních/pasivních zařízení a jeho modulátor byl široce a hluboce studován v oblasti optické komunikace. Elektrooptický modulační mechanismus křemíku spočívá především v ubírání nosičů náboje, jejich vstřikování a akumulaci. Mezi nimi je optimální šířka pásma modulátoru s lineárním mechanismem ubírání nosičů náboje, ale protože se rozložení optického pole překrývá s nerovnoměrností oblasti ubírání náboje, tento efekt zavádí nelineární zkreslení druhého řádu a intermodulační zkreslení třetího řádu, spolu s absorpčním účinkem nosiče na světlo, což vede ke snížení amplitudy optické modulace a zkreslení signálu.
InP modulátor má vynikající elektrooptické efekty a vícevrstvá kvantová jámová struktura umožňuje realizovat modulátory s ultravysokou rychlostí a nízkým budicím napětím s Vπ·L až do 0,156 V · mm. Změna indexu lomu s elektrickým polem však zahrnuje lineární a nelineární členy a zvýšení intenzity elektrického pole zvýší efekt druhého řádu. Proto křemíkové a InP elektrooptické modulátory potřebují při práci k vytvoření pn přechodu předpětí, což vede k absorpčním ztrátám. Velikost těchto dvou modulátorů je však malá, komerční InP modulátor je 1/4 velikosti LN modulátoru. Vysoká modulační účinnost, vhodná pro digitální optické přenosové sítě s vysokou hustotou a krátkými vzdálenostmi, jako jsou datová centra. Elektrooptický efekt niobátu lithného nemá mechanismus absorpce světla a nízké ztráty, takže je vhodný pro koherentní přenos na dlouhé vzdálenosti.optická komunikaces velkou kapacitou a vysokou rychlostí. V aplikaci mikrovlnných fotonů jsou elektrooptické koeficienty Si a InP nelineární, což není vhodné pro systém mikrovlnných fotonů, který usiluje o vysokou linearitu a velkou dynamiku. Materiál niobát lithný je velmi vhodný pro aplikace mikrovlnných fotonů díky svému zcela lineárnímu elektrooptickému modulačnímu koeficientu.
Čas zveřejnění: 22. dubna 2024