Переваги та значення тонкоплівкового ніобату літію в інтегрованій мікрохвильовій фотонній технології
Мікрохвильова фотонна технологіямає такі переваги, як широка робоча смуга пропускання, сильна здатність паралельної обробки та низькі втрати при передачі, що потенційно може подолати технічне вузьке місце традиційної мікрохвильової системи та покращити продуктивність військового електронного інформаційного обладнання, такого як радар, радіоелектронна боротьба, зв’язок і вимірювання та КОНТРОЛЬ. Проте мікрохвильова фотонна система, заснована на дискретних пристроях, має деякі проблеми, такі як великий об’єм, важка вага та низька стабільність, які серйозно обмежують застосування мікрохвильової фотонної технології на космічних і бортових платформах. Таким чином, інтегрована мікрохвильова фотонна технологія стає важливою підтримкою для переривання застосування мікрохвильової фотонної технології у військовій електронній інформаційній системі та повного використання переваг мікрохвильової фотонної технології.
Наразі технологія фотонної інтеграції на основі SI та технологія фотонної інтеграції на основі INP стають все більш зрілими після багатьох років розвитку в галузі оптичного зв’язку, і на ринок випущено багато продуктів. Однак для застосування мікрохвильових фотонів існують деякі проблеми в цих двох видах технологій інтеграції фотонів: наприклад, нелінійний електрооптичний коефіцієнт модулятора Si та модулятора InP суперечить високій лінійності та великим динамічним характеристикам, які мають мікрохвильове випромінювання. фотонні технології; Наприклад, кремнієвий оптичний перемикач, який реалізує оптичне перемикання шляхів, засноване на теплооптичному ефекті, п’єзоелектричному ефекті або дисперсійному ефекті інжекції носія, має проблеми з низькою швидкістю перемикання, споживанням електроенергії та споживанням тепла, які не можуть задовольнити швидкі сканування променем і застосування мікрохвильових фотонів великого масиву.
Ніобат літію завжди був першим вибором для високої швидкостіелектрооптична модуляціяматеріалів завдяки чудовому лінійному електрооптичному ефекту. Однак традиційний ніобат літіюелектрооптичний модуляторвиготовлено з масивного кристалічного матеріалу ніобату літію, а розмір пристрою дуже великий, що не може задовольнити потреби вбудованої мікрохвильової фотонної технології. Як інтегрувати матеріали з ніобату літію з лінійним електрооптичним коефіцієнтом в інтегровану систему мікрохвильової фотонної технології стало метою відповідних дослідників. У 2018 році дослідницька група з Гарвардського університету в Сполучених Штатах вперше повідомила про технологію фотонної інтеграції на основі тонкоплівкового ніобату літію в Nature, оскільки ця технологія має переваги високої інтеграції, великої смуги електрооптичної модуляції та високої лінійності електро -оптичний ефект, як тільки був запущений, він негайно викликав академічну та промислову увагу в галузі фотонної інтеграції та мікрохвильової фотоніки. З точки зору застосування мікрохвильових фотонів, у цій статті розглядається вплив і значення технології інтеграції фотонів на основі тонкоплівкового ніобату літію на розвиток технології мікрохвильових фотонів.
Тонкоплівковий матеріал ніобат літію та тонка плівкамодулятор ніобату літію
За останні два роки з’явився новий тип матеріалу ніобату літію, тобто плівка ніобату літію відшаровується від масивного кристала ніобату літію методом «іонного нарізання» та з’єднується з кремнієвою пластиною за допомогою кремнеземного буферного шару, щоб утворюють матеріал LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], який у цій статті називається тонкоплівковим матеріалом ніобату літію. Гребневі хвилеводи висотою понад 100 нанометрів можна витравлювати на тонкоплівкових матеріалах ніобату літію за допомогою оптимізованого процесу сухого травлення, а ефективна різниця показників заломлення сформованих хвилеводів може досягати більше 0,8 (набагато вище, ніж різниця показників заломлення традиційних хвилеводи з ніобату літію 0,02), як показано на малюнку 1. Сильно обмежений хвилевід полегшує узгодження світлового поля з мікрохвильовим полем при проектуванні модулятора. Таким чином, вигідно досягти меншої напруги напівхвилі та більшої смуги модуляції за меншої довжини.
Поява субмікронного хвилеводу з низькими втратами з ніобату літію розриває вузьке місце високої рушійної напруги традиційного електрооптичного модулятора з ніобату літію. Відстань між електродами можна зменшити до ~ 5 мкм, і перекривання між електричним полем і полем оптичної моди значно збільшується, а vπ ·L зменшується з більш ніж 20 В·см до менше ніж 2,8 В·см. Тому при тій же півхвилі напруги довжина пристрою може бути значно зменшена в порівнянні з традиційним модулятором. У той же час, після оптимізації параметрів ширини, товщини та інтервалу електрода біжучої хвилі, як показано на малюнку, модулятор може мати здатність надвисокої смуги модуляції більше 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 модулятора LN
Порівняння тонкоплівкових модуляторів на ніобаті літію з традиційними комерційними модуляторами на основі ніобату літію, модуляторами на основі кремнію та модуляторами з фосфіду індію (InP) та іншими існуючими високошвидкісними електрооптичними модуляторами, основні параметри порівняння включають:
(1) Напівхвильовий добуток вольт-довжини (vπ ·L, В·см), вимірювання ефективності модуляції модулятора, чим менше значення, тим вище ефективність модуляції;
(2) 3 дБ смуги модуляції (ГГц), яка вимірює відгук модулятора на високочастотну модуляцію;
(3) Оптичні внесені втрати (дБ) в області модуляції. З таблиці видно, що тонкоплівковий літієво-ніобатний модулятор має очевидні переваги в смузі модуляції, напівхвилі напруги, втратах оптичної інтерполяції тощо.
Кремній, як наріжний камінь інтегрованої оптоелектроніки, був розроблений досі, процес зрілий, його мініатюризація сприяє широкомасштабній інтеграції активних/пасивних пристроїв, а його модулятор широко та глибоко вивчений у галузі оптики. спілкування. Електрооптичний механізм модуляції кремнію полягає в основному в зменшенні носіїв, інжекції та накопиченні носіїв. Серед них смуга пропускання модулятора є оптимальною з механізмом виснаження несучої лінійного ступеня, але оскільки розподіл оптичного поля перекривається з нерівномірністю області збіднення, цей ефект призведе до нелінійних спотворень другого порядку та інтермодуляційних спотворень третього порядку умови, у поєднанні з ефектом поглинання носія на світло, що призведе до зменшення амплітуди оптичної модуляції та спотворення сигналу.
Модулятор InP має видатні електрооптичні ефекти, а багатошарова структура квантової ями може реалізовувати модулятори надвисокої швидкості та низької керуючої напруги з Vπ·L до 0,156 В · мм. Однак зміна показника заломлення з електричним полем включає лінійні та нелінійні члени, а збільшення інтенсивності електричного поля зробить помітним ефект другого порядку. Таким чином, кремнієві та InP електрооптичні модулятори повинні застосовувати зміщення для формування pn-переходу, коли вони працюють, і pn-перехід висвітлить втрати поглинання. Однак розмір модулятора цих двох невеликий, комерційний розмір модулятора InP становить 1/4 модулятора LN. Висока ефективність модуляції, підходить для цифрових оптичних мереж високої щільності та коротких відстаней, таких як центри обробки даних. Електрооптичний ефект ніобату літію не має механізму поглинання світла та низьких втрат, що підходить для когерентного з’єднання на великі відстані.оптичний зв'язокз великою місткістю і високою швидкістю. У застосуванні мікрохвильових фотонів електрооптичні коефіцієнти Si та InP є нелінійними, що не підходить для мікрохвильової фотонної системи, яка прагне високої лінійності та великої динаміки. Матеріал ніобату літію дуже підходить для застосування мікрохвильових фотонів через його повністю лінійний коефіцієнт електрооптичної модуляції.
Час публікації: 22 квітня 2024 р