Výhody a význam tenkovrstvového niobátu lítia v integrovanej mikrovlnnej fotónovej technológii
Mikrovlnná fotónová technológiaMá výhody veľkej pracovnej šírky pásma, silnej paralelnej spracovateľskej schopnosti a nízkych prenosových strát, čo má potenciál prekonať technické úzke hrdlo tradičných mikrovlnných systémov a zlepšiť výkon vojenských elektronických informačných zariadení, ako sú radar, elektronické bojové systémy, komunikácia a meranie a riadenie. Mikrovlnný fotónový systém založený na diskrétnych zariadeniach má však určité problémy, ako je veľký objem, ťažká hmotnosť a nízka stabilita, ktoré vážne obmedzujú použitie technológie mikrovlnných fotónov vo vesmírnych a leteckých platformách. Integrovaná technológia mikrovlnných fotónov sa preto stáva dôležitou oporou pre prekonanie použitia mikrovlnných fotónov vo vojenských elektronických informačných systémoch a pre plné využitie výhod technológie mikrovlnných fotónov.
V súčasnosti sa technológia fotonickej integrácie založená na SI a technológia fotonickej integrácie založená na INP stala čoraz zrelšou po rokoch vývoja v oblasti optickej komunikácie a na trh bolo uvedených množstvo produktov. Avšak pri aplikácii mikrovlnných fotónov existujú v týchto dvoch druhoch technológií fotónovej integrácie určité problémy: napríklad nelineárny elektrooptický koeficient Si modulátora a InP modulátora je v rozpore s vysokou linearitou a veľkými dynamickými charakteristikami, ktoré sleduje technológia mikrovlnných fotónov; Napríklad kremíkový optický prepínač, ktorý realizuje prepínanie optickej dráhy, či už na základe tepelno-optického efektu, piezoelektrického efektu alebo efektu disperzie vstrekovania nosičov, má problémy s pomalou rýchlosťou prepínania, spotrebou energie a spotrebou tepla, čo nedokáže splniť požiadavky na rýchle skenovanie lúča a aplikácie mikrovlnných fotónov vo veľkom meradle.
Niobát lítny bol vždy prvou voľbou pre vysoké rýchlostielektrooptická moduláciamateriály kvôli jeho vynikajúcemu lineárnemu elektrooptickému efektu. Tradičný niobát lítia všakelektrooptický modulátorje vyrobený z masívneho kryštálového materiálu niobátu lítneho a veľkosť zariadenia je veľmi veľká, čo nedokáže splniť potreby integrovanej mikrovlnnej fotónovej technológie. Integrácia materiálov niobátu lítneho s lineárnym elektrooptickým koeficientom do integrovaného systému mikrovlnnej fotónovej technológie sa stala cieľom príslušných výskumníkov. V roku 2018 výskumný tím z Harvardskej univerzity v Spojených štátoch prvýkrát uverejnil v publikácii Nature technológiu fotonickej integrácie založenú na tenkovrstvovom niobáte lítnom. Táto technológia má výhody vysokej integrácie, veľkej šírky pásma elektrooptickej modulácie a vysokej linearity elektrooptického efektu. Po spustení okamžite vzbudila akademickú a priemyselnú pozornosť v oblasti fotonickej integrácie a mikrovlnnej fotoniky. Z hľadiska aplikácie mikrovlnných fotónov tento článok skúma vplyv a význam technológie integrácie fotónov založenej na tenkovrstvovom niobáte lítnom na vývoj mikrovlnnej fotónovej technológie.
Tenkovrstvový materiál z niobátu lítneho a tenký filmmodulátor niobátu lítia
V posledných dvoch rokoch sa objavil nový typ materiálu na báze niobátu lítia, a to film niobátu lítia, ktorý sa odlupuje z masívneho kryštálu niobátu lítia metódou „iónového krájania“ a spája sa s kremíkovou doštičkou pomocou vrstvu kremičitého tlmiča za vzniku materiálu LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], ktorý sa v tomto článku nazýva tenkovrstvový materiál niobátu lítia. Hrebeňové vlnovody s výškou viac ako 100 nanometrov je možné leptať na tenkovrstvové materiály niobátu lítia optimalizovaným procesom suchého leptania a efektívny rozdiel indexu lomu vytvorených vlnovodov môže dosiahnuť viac ako 0,8 (oveľa viac ako rozdiel indexu lomu tradičných vlnovodov niobátu lítia 0,02), ako je znázornené na obrázku 1. Silne obmedzený vlnovod uľahčuje prispôsobenie svetelného poľa mikrovlnnému poľu pri navrhovaní modulátora. Preto je výhodné dosiahnuť nižšie polvlnové napätie a väčšiu modulačnú šírku pásma pri kratšej dĺžke.
Vzhľad submikrónového vlnovodu z lítium-niobátu s nízkymi stratami prekonáva úzke hrdlo vysokého budiaceho napätia tradičného elektrooptického modulátora z lítium-niobátu. Rozstup elektród sa dá znížiť na ~ 5 μm, čím sa výrazne zvyšuje prekrytie medzi elektrickým poľom a optickým módovým poľom a vπ ·L sa znižuje z viac ako 20 V·cm na menej ako 2,8 V·cm. Preto sa pri rovnakom polvlnovom napätí dá dĺžka zariadenia výrazne skrátiť v porovnaní s tradičným modulátorom. Zároveň po optimalizácii parametrov šírky, hrúbky a intervalu elektródy s postupujúcou vlnou, ako je znázornené na obrázku, môže mať modulátor schopnosť ultra vysokej modulačnej šírky pásma väčšej ako 100 GHz.
Obr. 1 (a) vypočítané rozloženie módov a (b) obrázok prierezu LN vlnovodu
Obr. 2 (a) Štruktúra vlnovodu a elektródy a (b) jadrová doska LN modulátora
Porovnanie tenkovrstvových modulátorov lítium-niobátu s tradičnými komerčnými modulátormi lítium-niobátu, modulátormi na báze kremíka a modulátormi na báze fosfidu india (InP) a inými existujúcimi vysokorýchlostnými elektrooptickými modulátormi, hlavné parametre porovnania zahŕňajú:
(1) Súčin polvlnného napätia a dĺžky (vπ · L, V · cm), merajúci modulačnú účinnosť modulátora, čím menšia je hodnota, tým vyššia je modulačná účinnosť;
(2) šírka pásma modulácie 3 dB (GHz), ktorá meria odozvu modulátora na vysokofrekvenčnú moduláciu;
(3) Optická strata vloženia (dB) v modulačnej oblasti. Z tabuľky je zrejmé, že tenkovrstvový modulátor na báze niobátu lítia má zjavné výhody v oblasti modulačnej šírky pásma, polvlnného napätia, optickej interpolačnej straty atď.
Kremík, ako základný kameň integrovanej optoelektroniky, bol doteraz vyvinutý, proces je zrelý, jeho miniaturizácia prispieva k rozsiahlej integrácii aktívnych/pasívnych zariadení a jeho modulátor bol široko a dôkladne študovaný v oblasti optickej komunikácie. Mechanizmus elektrooptickej modulácie kremíka spočíva hlavne v znížení nosnej náboja, jeho injekcii a akumulácii. Šírka pásma modulátora je optimálna s mechanizmom lineárneho stupňa zníženia nosnej náboja, ale pretože rozloženie optického poľa sa prekrýva s nerovnomernosťou oblasti zníženia nosnej náboja, tento efekt zavedie nelineárne skreslenie druhého rádu a intermodulačné skreslenie tretieho rádu, spolu s absorpčným účinkom nosiča na svetlo, čo povedie k zníženiu amplitúdy optickej modulácie a skreslenia signálu.
InP modulátor má vynikajúce elektrooptické efekty a viacvrstvová štruktúra kvantovej jamy umožňuje realizovať modulátory s ultravysokou frekvenciou a nízkym budiacim napätím s Vπ·L až do 0,156 V · mm. Zmena indexu lomu s elektrickým poľom však zahŕňa lineárne a nelineárne členy a zvýšenie intenzity elektrického poľa zvýši efekt druhého rádu. Preto kremíkové a InP elektrooptické modulátory musia pri práci aplikovať predpätie na vytvorenie pn prechodu, čo spôsobí absorpčné straty. Veľkosť týchto dvoch modulátorov je však malá, komerčný InP modulátor je 1/4 veľkosti LN modulátora. Vysoká modulačná účinnosť, vhodná pre digitálne optické prenosové siete s vysokou hustotou a krátkymi vzdialenosťami, ako sú dátové centrá. Elektrooptický efekt niobátu lítia nemá mechanizmus absorpcie svetla a nízke straty, čo je vhodné pre koherentné prenosy na dlhé vzdialenosti.optická komunikácias veľkou kapacitou a vysokou rýchlosťou. Pri aplikácii mikrovlnných fotónov sú elektrooptické koeficienty Si a InP nelineárne, čo nie je vhodné pre systém mikrovlnných fotónov, ktorý sa snaží o vysokú linearitu a veľkú dynamiku. Materiál niobát lítny je veľmi vhodný pre aplikácie mikrovlnných fotónov vďaka svojmu úplne lineárnemu elektrooptickému modulačnému koeficientu.
Čas uverejnenia: 22. apríla 2024