Výhody a význam tenkovrstvového niobátu lítneho v integrovanej mikrovlnnej fotónovej technológii
Mikrovlnná fotónová technológiamá výhody veľkej pracovnej šírky pásma, silnej schopnosti paralelného spracovania a nízkych prenosových strát, čo má potenciál prelomiť technickú prekážku tradičného mikrovlnného systému a zlepšiť výkon vojenských elektronických informačných zariadení, ako je radar, elektronický boj, komunikácia a meranie a ovládanie. Mikrovlnný fotónový systém založený na diskrétnych zariadeniach má však určité problémy, ako je veľký objem, veľká hmotnosť a zlá stabilita, ktoré vážne obmedzujú aplikáciu mikrovlnnej fotónovej technológie na vesmírnych a vzdušných platformách. Preto sa integrovaná mikrovlnná fotónová technológia stáva dôležitou podporou na prerušenie aplikácie mikrovlnného fotónu vo vojenskom elektronickom informačnom systéme a naplno využíva výhody mikrovlnnej fotónovej technológie.
V súčasnosti sa technológia fotonickej integrácie na báze SI a technológia fotonickej integrácie na báze INP po rokoch vývoja v oblasti optickej komunikácie stávajú čoraz zrelšími a na trh bolo uvedených veľa produktov. Avšak pre aplikáciu mikrovlnného fotónu existujú určité problémy v týchto dvoch druhoch fotónových integračných technológií: napríklad nelineárny elektrooptický koeficient Si modulátora a InP modulátora je v rozpore s vysokou linearitou a veľkými dynamickými charakteristikami sledovanými mikrovlnami. fotónová technológia; Napríklad kremíkový optický prepínač, ktorý realizuje prepínanie optickej dráhy, či už na základe tepelno-optického efektu, piezoelektrického efektu alebo disperzného efektu vstrekovania nosiča, má problémy s pomalou rýchlosťou spínania, spotrebou energie a spotrebou tepla, ktoré nedokážu splniť rýchle lúčové skenovanie a aplikácie mikrovlnných fotónov vo veľkom poli.
Niobát lítny bol vždy prvou voľbou pre vysokú rýchlosťelektrooptická moduláciamateriály vďaka svojmu vynikajúcemu lineárnemu elektrooptickému efektu. Avšak tradičný niobát lítnyelektro-optický modulátorje vyrobený z masívneho lítiumniobátového kryštálového materiálu a veľkosť zariadenia je veľmi veľká, čo nemôže spĺňať potreby integrovanej mikrovlnnej fotónovej technológie. Ako integrovať materiály z niobátu lítneho s lineárnym elektro-optickým koeficientom do integrovaného systému mikrovlnnej fotónovej technológie sa stalo cieľom relevantných výskumníkov. V roku 2018 výskumný tím z Harvardskej univerzity v Spojených štátoch prvýkrát oznámil technológiu fotonickej integrácie založenú na tenkovrstvovom niobáte lítnom v prírode, pretože táto technológia má výhody vysokej integrácie, veľkej šírky pásma elektro-optickej modulácie a vysokej linearity elektro - Optický efekt, po spustení okamžite vyvolal akademickú a priemyselnú pozornosť v oblasti fotonickej integrácie a mikrovlnnej fotoniky. Z pohľadu aplikácie mikrovlnných fotónov tento článok hodnotí vplyv a význam technológie integrácie fotónov založenej na tenkovrstvovom niobáte lítnom na vývoj technológie mikrovlnných fotónov.
Tenkovrstvový materiál z niobátu lítneho a tenký filmmodulátor niobátu lítneho
V posledných dvoch rokoch sa objavil nový typ materiálu niobátu lítneho, to znamená, že film z niobátu lítneho sa odlupuje z masívneho kryštálu niobátu lítneho metódou „krájania iónov“ a spája sa s doštičkou Si pomocou tlmivej vrstvy oxidu kremičitého. z materiálu LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], ktorý sa v tomto článku nazýva tenkovrstvový materiál z niobátu lítneho. Hrebeňové vlnovody s výškou viac ako 100 nanometrov môžu byť leptané na tenkovrstvových materiáloch z niobátu lítneho optimalizovaným procesom suchého leptania a efektívny rozdiel indexu lomu vytvorených vlnovodov môže dosiahnuť viac ako 0,8 (oveľa vyšší ako rozdiel v indexe lomu tradičných lítium niobátové vlnovody 0,02), ako je znázornené na obrázku 1. Silne obmedzený vlnovod uľahčuje zosúladenie svetelného poľa s mikrovlnným poľom pri navrhovaní modulátora. Je teda výhodné dosiahnuť nižšie polvlnové napätie a väčšiu šírku modulačného pásma pri kratšej dĺžke.
Vzhľad nízkostratového submikrónového vlnovodu lítium niobátu prelomí prekážku vysokého riadiaceho napätia tradičného elektrooptického modulátora lítium niobátu. Vzdialenosť medzi elektródami sa môže zmenšiť na ~ 5 μm a prekrytie medzi elektrickým poľom a poľom optického režimu sa značne zväčší a vπ ·L sa zníži z viac ako 20 V·cm na menej ako 2,8 V·cm. Preto pri rovnakom polovičnom napätí môže byť dĺžka zariadenia výrazne znížená v porovnaní s tradičným modulátorom. Zároveň po optimalizácii parametrov šírky, hrúbky a intervalu elektródy s postupnou vlnou, ako je znázornené na obrázku, môže mať modulátor schopnosť ultra vysokej modulačnej šírky pásma väčšej ako 100 GHz.
Obr.1 （a） vypočítané rozdelenie vidov a （b） obraz prierezu vlnovodu LN
Obr.2 （a） Štruktúra vlnovodu a elektródy a （b） jadro modulátora LN
Porovnanie tenkovrstvových modulátorov niobátu lítneho s tradičnými komerčnými modulátormi niobátu lítneho, modulátormi na báze kremíka a modulátormi fosfidu india (InP) a inými existujúcimi vysokorýchlostnými elektrooptickými modulátormi, hlavné parametre porovnania zahŕňajú:
(1) Polvlnový súčin voltovej dĺžky (vπ ·L, V·cm), meranie účinnosti modulácie modulátora, čím menšia hodnota, tým vyššia účinnosť modulácie;
(2) 3 dB modulačná šírka pásma (GHz), ktorá meria odozvu modulátora na vysokofrekvenčnú moduláciu;
(3) Optická vložená strata (dB) v modulačnej oblasti. Z tabuľky je vidieť, že tenkovrstvový modulátor lítium-niobátu má zjavné výhody v modulačnej šírke pásma, polovičnom napätí, strate optickej interpolácie atď.
Kremík, ako základný kameň integrovanej optoelektroniky, bol doteraz vyvinutý, proces je vyspelý, jeho miniaturizácia vedie k rozsiahlej integrácii aktívnych/pasívnych zariadení a jeho modulátor bol široko a hlboko študovaný v oblasti optiky. komunikácia. Mechanizmus elektro-optickej modulácie kremíka je hlavne odstraňovanie nosiča, vstrekovanie nosiča a akumulácia nosiča. Medzi nimi je šírka pásma modulátora optimálna s mechanizmom odstraňovania nosiča lineárneho stupňa, ale pretože sa distribúcia optického poľa prekrýva s nerovnomernosťou oblasti vyčerpania, tento efekt zavedie nelineárne skreslenie druhého rádu a intermodulačné skreslenie tretieho rádu. v spojení s absorpčným účinkom nosiča na svetlo, čo povedie k zníženiu amplitúdy optickej modulácie a skreslenia signálu.
Modulátor InP má vynikajúce elektrooptické efekty a viacvrstvová štruktúra kvantovej studne môže realizovať modulátory s ultra vysokou rýchlosťou a nízkym napätím s Vπ·L až do 0,156 V · mm. Avšak variácia indexu lomu s elektrickým poľom zahŕňa lineárne a nelineárne členy a zvýšenie intenzity elektrického poľa spôsobí, že efekt druhého rádu bude výrazný. Preto musia kremíkové a InP elektrooptické modulátory aplikovať predpätie na vytvorenie pn spojenia, keď fungujú, a pn spojenie prinesie stratu absorpcie na svetlo. Veľkosť modulátora týchto dvoch je však malá, veľkosť komerčného modulátora InP je 1/4 modulátora LN. Vysoká modulačná účinnosť, vhodná pre digitálne optické prenosové siete s vysokou hustotou a na krátke vzdialenosti, ako sú dátové centrá. Elektrooptický efekt niobátu lítneho nemá mechanizmus absorpcie svetla a nízku stratu, čo je vhodné pre koherentné na dlhé vzdialenostioptická komunikácias veľkou kapacitou a vysokou rýchlosťou. V mikrovlnnej fotónovej aplikácii sú elektrooptické koeficienty Si a InP nelineárne, čo nie je vhodné pre mikrovlnný fotónový systém, ktorý sleduje vysokú linearitu a veľkú dynamiku. Materiál niobátu lítneho je veľmi vhodný pre mikrovlnné fotónové aplikácie, pretože má úplne lineárny elektro-optický modulačný koeficient.
Čas odoslania: 22. apríla 2024