Переваги та значення тонкоплівкового ніобату літію в інтегрованій технології мікрохвильових фотонів
Мікрохвильова фотонна технологіямає переваги великої робочої смуги пропускання, потужної паралельної обробки та низьких втрат при передачі, що може допомогти подолати технічне вузьке місце традиційних мікрохвильових систем та покращити продуктивність військового електронного інформаційного обладнання, такого як радар, засоби радіоелектронної боротьби, зв'язок та вимірювання та управління. Однак, мікрохвильова фотонна система на основі дискретних пристроїв має деякі проблеми, такі як великий об'єм, важка вага та низька стабільність, що серйозно обмежує застосування технології мікрохвильових фотонів у космічних та повітряних платформах. Тому інтегрована технологія мікрохвильових фотонів стає важливою підтримкою для подолання застосування мікрохвильових фотонів у військових електронних інформаційних системах та повного використання переваг технології мікрохвильових фотонів.
Наразі технології фотонної інтеграції на основі SI та INP стають дедалі більш зрілими після років розвитку в галузі оптичного зв'язку, і на ринок було виведено багато продуктів. Однак, для застосування мікрохвильових фотонів існують деякі проблеми в цих двох типах технологій фотонної інтеграції: наприклад, нелінійний електрооптичний коефіцієнт Si-модулятора та InP-модулятора суперечить високій лінійності та великим динамічним характеристикам, яких досягає технологія мікрохвильових фотонів; наприклад, кремнієвий оптичний перемикач, який реалізує перемикання оптичного шляху, незалежно від того, чи засноване воно на термооптичному ефекті, п'єзоелектричному ефекті чи ефекті дисперсії інжекції носіїв, має проблеми низької швидкості перемикання, енергоспоживання та теплоспоживання, що не може задовольнити потреби швидкого сканування променя та застосування мікрохвильових фотонів великого масштабу.
Ніобат літію завжди був першим вибором для високошвидкіснихелектрооптична модуляціяматеріали завдяки своєму чудовому лінійному електрооптичному ефекту. Однак традиційний ніобат літіюелектрооптичний модуляторвиготовлений з масивного кристалічного матеріалу ніобату літію, а розмір пристрою дуже великий, що не може задовольнити потреби інтегрованої технології мікрохвильових фотонів. Як інтегрувати матеріали на основі ніобату літію з лінійним електрооптичним коефіцієнтом в інтегровану систему технології мікрохвильових фотонів стало метою відповідних дослідників. У 2018 році дослідницька група з Гарвардського університету в США вперше повідомила про технологію фотонної інтеграції на основі тонкоплівкового ніобату літію в Nature, оскільки ця технологія має переваги високої інтеграції, великої смуги пропускання електрооптичної модуляції та високої лінійності електрооптичного ефекту, після запуску вона одразу ж привернула увагу академічних та промислових кіл у галузі фотонної інтеграції та мікрохвильової фотоніки. З точки зору застосування мікрохвильових фотонів, у цій статті розглядається вплив та значення технології інтеграції фотонів на основі тонкоплівкового ніобату літію на розвиток технології мікрохвильових фотонів.
Тонкоплівковий матеріал з ніобату літію та тонка плівкамодулятор ніобату літію
За останні два роки з'явився новий тип матеріалу на основі ніобату літію, тобто плівка ніобату літію відшаровується від масивного кристала ніобату літію методом «іонного нарізання» та з'єднується з кремнієвою пластиною за допомогою буферного шару з кремнію, утворюючи матеріал LNOI (LiNbO3-на-ізоляторі) [5], який у цій статті називається тонкоплівковим матеріалом ніобату літію. Гребневі хвилеводи висотою понад 100 нанометрів можна травити на тонкоплівкових матеріалах ніобату літію за допомогою оптимізованого процесу сухого травлення, а ефективна різниця показників заломлення утворених хвилеводів може досягати понад 0,8 (набагато вище, ніж різниця показників заломлення традиційних хвилеводів на основі ніобату літію 0,02), як показано на рисунку 1. Сильно обмежений хвилевід полегшує узгодження світлового поля з полем мікрохвильового випромінювання під час проектування модулятора. Таким чином, вигідно досягти нижчої напівхвильової напруги та більшої смуги пропускання модуляції за меншої довжини.
Поява субмікронного хвилеводу з ніобату літію з низькими втратами усуває вузьке місце, пов'язане з високою керуючою напругою традиційного електрооптичного модулятора з ніобату літію. Відстань між електродами може бути зменшена до ~ 5 мкм, а перекриття між електричним полем та полем оптичної моди значно збільшується, а vπ ·L зменшується з понад 20 В·см до менш ніж 2,8 В·см. Таким чином, за тієї ж напівхвильової напруги, довжина пристрою може бути значно зменшена порівняно з традиційним модулятором. Водночас, після оптимізації параметрів ширини, товщини та інтервалу між електродами біжучої хвилі, як показано на рисунку, модулятор може мати надвисоку смугу пропускання модуляції понад 100 ГГц.
Рис. 1 (a) розрахований розподіл мод та (b) зображення поперечного перерізу хвилеводу LN
Рис. 2 (a) Структура хвилеводу та електрода та (b) основна пластина LN-модулятора
Порівняння тонкоплівкових модуляторів на основі ніобату літію з традиційними комерційними модуляторами на основі ніобату літію, модуляторами на основі кремнію та модуляторами на основі фосфіду індію (InP) та іншими існуючими високошвидкісними електрооптичними модуляторами, основні параметри порівняння включають:
(1) Добуток вольт-довжини на півхвилі (vπ ·L, V·cm), що вимірює ефективність модуляції модулятора, чим менше значення, тим вища ефективність модуляції;
(2) смуга пропускання модуляції 3 дБ (ГГц), яка вимірює реакцію модулятора на високочастотну модуляцію;
(3) Оптичні внесені втрати (дБ) в області модуляції. З таблиці видно, що тонкоплівковий модулятор на основі ніобату літію має очевидні переваги в смузі модуляції, напрузі півхвилі, оптичних інтерполяційних втратах тощо.
Кремній, як основа інтегрованої оптоелектроніки, вже розроблений, процес є зрілим, його мініатюризація сприяє широкомасштабній інтеграції активних/пасивних пристроїв, а його модулятор був широко та глибоко вивчений у галузі оптичного зв'язку. Механізм електрооптичної модуляції кремнію полягає в основному в збідненні носіїв, інжекції носіїв та накопиченні носіїв. Серед них, смуга пропускання модулятора є оптимальною з лінійним механізмом збіднення носіїв, але оскільки розподіл оптичного поля перекривається з неоднорідністю області збіднення, цей ефект призведе до нелінійних спотворень другого порядку та інтермодуляційних спотворень третього порядку, у поєднанні з ефектом поглинання носія на світло, що призведе до зменшення амплітуди оптичної модуляції та спотворень сигналу.
InP-модулятор має видатні електрооптичні ефекти, а багатошарова структура квантової ями дозволяє реалізувати модулятори з надвисокою швидкістю та низькою напругою керування з Vπ·L до 0,156 В·мм. Однак, зміна показника заломлення з електричним полем включає лінійні та нелінійні члени, а збільшення напруженості електричного поля призведе до помітного ефекту другого порядку. Тому кремнієві та InP-електрооптичні модулятори повинні застосовувати зміщення для формування p-n переходу під час їхньої роботи, і p-n перехід призведе до втрат на поглинання світла. Однак розмір цих двох модуляторів невеликий, комерційний InP-модулятор становить 1/4 від LN-модулятора. Висока ефективність модуляції, підходить для цифрових оптичних мереж передачі високої щільності та на короткі відстані, таких як центри обробки даних. Електрооптичний ефект ніобату літію не має механізму поглинання світла та має низькі втрати, що підходить для когерентного зв'язку на великі відстані.оптичний зв'язокз великою ємністю та високою швидкістю. У застосуванні мікрохвильових фотонів електрооптичні коефіцієнти Si та InP є нелінійними, що не підходить для системи мікрохвильових фотонів, яка прагне високої лінійності та великої динаміки. Матеріал ніобат літію дуже підходить для застосування мікрохвильових фотонів завдяки своєму повністю лінійному коефіцієнту електрооптичної модуляції.
Час публікації: 22 квітня 2024 р.