Prednosti in pomen tankoslojnega litijevega niobata v integrirani mikrovalovni fotonski tehnologiji
Mikrovalovna fotonska tehnologijaIma prednosti velike delovne pasovne širine, močne vzporedne procesne zmogljivosti in nizke izgube pri prenosu, kar ima potencial za odpravo tehničnega ozkega grla tradicionalnih mikrovalovnih sistemov in izboljšanje delovanja vojaške elektronske informacijske opreme, kot so radar, elektronsko bojevanje, komunikacija ter meritve in nadzor. Vendar pa ima mikrovalovni fotonski sistem, ki temelji na diskretnih napravah, nekatere težave, kot so velika prostornina, težka teža in slaba stabilnost, ki resno omejujejo uporabo tehnologije mikrovalovnih fotonov v vesoljskih in zračnih platformah. Zato integrirana tehnologija mikrovalovnih fotonov postaja pomembna podpora za odpravo uporabe mikrovalovnih fotonov v vojaških elektronskih informacijskih sistemih in za polno izkoriščanje prednosti tehnologije mikrovalovnih fotonov.
Trenutno sta tehnologiji fotonske integracije na osnovi SI in INP po letih razvoja na področju optičnih komunikacij postali vse bolj zreli in na trg je bilo danih veliko izdelkov. Vendar pa se pri uporabi mikrovalovnega fotona pri teh dveh vrstah tehnologij fotonske integracije pojavljajo nekatere težave: na primer, nelinearni elektrooptični koeficient Si modulatorja in InP modulatorja je v nasprotju z visoko linearnostjo in velikimi dinamičnimi lastnostmi, ki jih dosega tehnologija mikrovalovnega fotona; na primer, silicijev optični stikalo, ki realizira optično preklapljanje poti, bodisi na podlagi termo-optičnega učinka, piezoelektričnega učinka ali učinka disperzije vbrizgavanja nosilcev, ima težave s počasno hitrostjo preklapljanja, porabo energije in porabo toplote, kar ne more zadostiti potrebam po hitrem skeniranju žarka in aplikacijah mikrovalovnega fotona z velikimi matrikami.
Litijev niobat je bil vedno prva izbira za visoke hitrostielektrooptična modulacijamateriali zaradi odličnega linearnega elektrooptičnega učinka. Vendar pa tradicionalni litijev niobatelektrooptični modulatorje izdelan iz masivnega kristalnega materiala litijevega niobata, velikost naprave pa je zelo velika, kar ne more zadovoljiti potreb integrirane mikrovalovne fotonske tehnologije. Cilj ustreznih raziskovalcev je postalo, kako integrirati litijeve niobatne materiale z linearnim elektrooptičnim koeficientom v integriran sistem mikrovalovne fotonske tehnologije. Leta 2018 je raziskovalna skupina z univerze Harvard v Združenih državah Amerike prvič poročala o tehnologiji fotonske integracije, ki temelji na tankem filmu litijevega niobata, v publikaciji Nature. Ker ima tehnologija prednosti visoke integracije, velike pasovne širine elektrooptične modulacije in visoke linearnosti elektrooptičnega učinka, je po uvedbi takoj pritegnila akademsko in industrijsko pozornost na področju fotonske integracije in mikrovalovne fotonike. Z vidika uporabe mikrovalovnega fotona ta članek obravnava vpliv in pomen tehnologije integracije fotona, ki temelji na tankem filmu litijevega niobata, na razvoj tehnologije mikrovalovne fotone.
Tankoslojni litijev niobatni material in tanka plastlitijev niobatni modulator
V zadnjih dveh letih se je pojavila nova vrsta litijevega niobatnega materiala, in sicer film litijevega niobata, ki se z metodo "ionskega rezanja" odlušči od masivnega kristala litijevega niobata in se s plastjo silicijevega dioksida veže na Si rezino, da se tvori material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], ki se v tem članku imenuje tankoplastni litijev niobatni material. Grebenski valovod z višino več kot 100 nanometrov se lahko jedka na tankoplastne litijeve niobatne materiale z optimiziranim postopkom suhega jedkanja, efektivna razlika lomnega količnika oblikovanih valovodov pa lahko doseže več kot 0,8 (veliko več kot razlika lomnega količnika tradicionalnih litijevih niobatnih valovodov, ki znaša 0,02), kot je prikazano na sliki 1. Močno omejen valovod olajša usklajevanje svetlobnega polja z mikrovalovnim poljem pri načrtovanju modulatorja. Tako je koristno doseči nižjo polvalovno napetost in večjo modulacijsko pasovno širino v krajši dolžini.
Pojav submikronskega valovoda iz litijevega niobata z nizkimi izgubami odpravlja ozko grlo visoke pogonske napetosti tradicionalnega elektrooptičnega modulatorja iz litijevega niobata. Razmik med elektrodami se lahko zmanjša na ~ 5 μm, prekrivanje med električnim in optičnim poljem pa se močno poveča, vπ ·L pa se zmanjša z več kot 20 V·cm na manj kot 2,8 V·cm. Zato se lahko dolžina naprave pri isti polvalovni napetosti močno zmanjša v primerjavi s tradicionalnim modulatorjem. Hkrati pa ima modulator po optimizaciji parametrov širine, debeline in intervala elektrode s potujočim valom, kot je prikazano na sliki, možnost ultra visoke modulacijske pasovne širine, večje od 100 GHz.
Slika 1 (a) izračunana porazdelitev modov in (b) slika prečnega prereza LN valovoda
Slika 2 (a) Struktura valovoda in elektrode ter (b) jedrna plošča LN modulatorja
Primerjava tankoslojnih litijevih niobatnih modulatorjev s tradicionalnimi komercialnimi litijevimi niobatnimi modulatorji, modulatorji na osnovi silicija in modulatorji iz indijevega fosfida (InP) ter drugimi obstoječimi visokohitrostnimi elektrooptičnimi modulatorji, glavni parametri primerjave vključujejo:
(1) Produkt voltnih dolžin pol vala (vπ ·L, V·cm), ki meri učinkovitost modulacije modulatorja, manjša kot je vrednost, višja je učinkovitost modulacije;
(2) 3 dB modulacijska pasovna širina (GHz), ki meri odziv modulatorja na visokofrekvenčno modulacijo;
(3) Optična vstavljena izguba (dB) v modulacijskem območju. Iz tabele je razvidno, da ima tankoslojni litijev niobatni modulator očitne prednosti pri modulacijski pasovni širini, polvalovni napetosti, optični interpolacijski izgubi in tako naprej.
Silicij, temelj integrirane optoelektronike, je bil do sedaj razvit, postopek je zrel, njegova miniaturizacija pa omogoča obsežno integracijo aktivnih/pasivnih naprav, njegov modulator pa je bil široko in poglobljeno preučen na področju optičnih komunikacij. Mehanizem elektrooptične modulacije silicija je predvsem izčrpavanje nosilcev, vbrizgavanje nosilcev in kopičenje nosilcev. Med njimi je pasovna širina modulatorja optimalna z mehanizmom linearnega izčrpavanja nosilcev, vendar ker se porazdelitev optičnega polja prekriva z neenakomernostjo območja izčrpavanja, bo ta učinek povzročil nelinearno popačenje drugega reda in intermodulacijsko popačenje tretjega reda, skupaj z absorpcijskim učinkom nosilca na svetlobo, kar bo povzročilo zmanjšanje amplitude optične modulacije in popačenja signala.
InP modulator ima izjemne elektrooptične učinke, večplastna struktura kvantnih jamic pa omogoča ustvarjanje modulatorjev z ultra visoko hitrostjo in nizko pogonsko napetostjo z Vπ·L do 0,156 V · mm. Vendar pa sprememba lomnega količnika z električnim poljem vključuje linearne in nelinearne člene, povečanje intenzivnosti električnega polja pa bo poudarilo učinek drugega reda. Zato morajo silicijevi in InP elektrooptični modulatorji med delovanjem uporabiti prednapetost, da tvorijo pn spoj, kar bo povzročilo izgubo absorpcije. Vendar je velikost teh dveh modulatorjev majhna, komercialni InP modulator je 1/4 velikosti LN modulatorja. Visoka modulacijska učinkovitost, primerna za digitalna optična prenosna omrežja z visoko gostoto in kratkimi razdaljami, kot so podatkovni centri. Elektrooptični učinek litijevega niobata nima mehanizma absorpcije svetlobe in ima majhne izgube, zato je primeren za koherentne prenose na dolge razdalje.optična komunikacijaz veliko kapaciteto in visoko hitrostjo. Pri uporabi mikrovalovnih fotonov so elektrooptični koeficienti Si in InP nelinearni, kar ni primerno za sistem mikrovalovnih fotonov, ki si prizadeva za visoko linearnost in veliko dinamiko. Litijev niobat je zaradi svojega popolnoma linearnega elektrooptičnega modulacijskega koeficienta zelo primeren za uporabo mikrovalovnih fotonov.
Čas objave: 22. april 2024