Prednosti in pomen tankoslojnega litijevega niobata v integrirani mikrovalovni fotonski tehnologiji
Mikrovalovna fotonska tehnologijaima prednosti velike delovne pasovne širine, močne zmožnosti vzporedne obdelave in nizke izgube pri prenosu, kar lahko odpravi tehnično ozko grlo tradicionalnega mikrovalovnega sistema in izboljša zmogljivost vojaške elektronske informacijske opreme, kot so radar, elektronsko bojevanje, komunikacija in merjenje ter nadzor. Vendar ima mikrovalovni fotonski sistem, ki temelji na diskretnih napravah, nekaj težav, kot so velika prostornina, velika teža in slaba stabilnost, ki resno omejujejo uporabo mikrovalovne fotonske tehnologije v vesoljskih in zračnih platformah. Zato integrirana mikrovalovna fotonska tehnologija postaja pomembna podpora za prekinitev uporabe mikrovalovne fotonske tehnologije v vojaškem elektronskem informacijskem sistemu in v celoti izkoriščena prednosti mikrovalovne fotonske tehnologije.
Trenutno sta tehnologija fotonske integracije, ki temelji na SI, in tehnologija fotonske integracije, ki temelji na INP, po letih razvoja na področju optičnih komunikacij vse bolj zreli in na trg je bilo danih veliko izdelkov. Vendar pa je pri uporabi mikrovalovnega fotona nekaj težav pri teh dveh vrstah tehnologij integracije fotonov: na primer, nelinearni elektrooptični koeficient modulatorja Si in modulatorja InP je v nasprotju z visoko linearnostjo in velikimi dinamičnimi značilnostmi, ki jih dosegajo mikrovalovne pečice. fotonska tehnologija; Na primer, silikonsko optično stikalo, ki uresničuje preklapljanje optične poti, ne glede na to, ali temelji na toplotno-optičnem učinku, piezoelektričnem učinku ali disperzijskem učinku vbrizgavanja nosilca, ima težave zaradi počasne hitrosti preklopa, porabe energije in porabe toplote, ki ne morejo zadovoljiti hitre skeniranje snopa in aplikacije mikrovalovnih fotonov v velikem obsegu.
Litijev niobat je bil vedno prva izbira za visoke hitrostielektrooptična modulacijamaterialov zaradi odličnega linearnega elektrooptičnega učinka. Vendar tradicionalni litijev niobatelektrooptični modulatorje izdelan iz masivnega kristalnega materiala litijevega niobata, velikost naprave pa je zelo velika, kar ne more zadostiti potrebam integrirane mikrovalovne fotonske tehnologije. Cilj relevantnih raziskovalcev je postalo, kako integrirati materiale litijevega niobata z linearnim elektrooptičnim koeficientom v sistem integrirane 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 Nature, saj ima tehnologija prednosti visoke integracije, velike pasovne širine elektro-optične modulacije in visoke linearnosti elektro -optični učinek, ko je bil lansiran, je takoj povzročil akademsko in industrijsko pozornost na področju fotonske integracije in mikrovalovne fotonike. Z vidika uporabe mikrovalovnih fotonov ta prispevek pregleduje vpliv in pomen tehnologije integracije fotonov, ki temelji na tankoslojnem litijevem niobatu, na razvoj tehnologije mikrovalovnih fotonov.
Tankoslojni litijev niobatni material in tanek filmmodulator litijevega niobata
V zadnjih dveh letih se je pojavila nova vrsta materiala litijevega niobata, to je, da je film litijevega niobata odluščen iz masivnega kristala litijevega niobata z metodo "rezanja ionov" in vezan na rezino Si s pufersko plastjo silicijevega dioksida, da tvorijo material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], ki se v tem članku imenuje tankoslojni material litijevega niobata. Grebenske valovode z višino več kot 100 nanometrov je mogoče jedkati na tankoslojne litijeve niobatne materiale z optimiziranim postopkom suhega jedkanja, učinkovita razlika lomnega količnika oblikovanih valovodov pa lahko doseže več kot 0,8 (veliko več kot razlika v lomnem količniku tradicionalnih valovode litijevega niobata 0,02), kot je prikazano na sliki 1. Močno omejen valovod olajša ujemanje svetlobnega polja z mikrovalovnim poljem pri načrtovanju modulatorja. Tako je koristno doseči nižjo polvalovno napetost in večjo modulacijsko pasovno širino pri krajši dolžini.
Pojav submikronskega valovoda z nizkimi izgubami litijevega niobata razbija ozko grlo visoke pogonske napetosti tradicionalnega elektrooptičnega modulatorja litijevega niobata. Razmik elektrod se lahko zmanjša na ~ 5 μm, prekrivanje med električnim poljem in poljem optičnega načina 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 pod isto polvalovno napetostjo dolžina naprave močno zmanjša v primerjavi s tradicionalnim modulatorjem. Hkrati ima lahko modulator po optimizaciji parametrov širine, debeline in intervala elektrode potujočega vala, kot je prikazano na sliki, sposobnost ultravisoke modulacijske pasovne širine, večje od 100 GHz.
Slika 1 （a） izračunana porazdelitev modov in （b） slika prečnega prereza valovoda LN
Slika 2 （a） Struktura valovoda in elektrode ter （b） jedrna plošča modulatorja LN
Primerjava tankoslojnih modulatorjev litijevega niobata s tradicionalnimi komercialnimi modulatorji litijevega niobata, modulatorji na osnovi silicija in modulatorji z indijevim fosfidom (InP) ter drugimi obstoječimi elektrooptičnimi modulatorji visoke hitrosti, glavni parametri primerjave vključujejo:
(1) Polvalovni produkt voltne dolžine (vπ ·L, V·cm), ki meri učinkovitost modulacije modulatorja, manjša kot je vrednost, večja je učinkovitost modulacije;
(2) modulacijsko pasovno širino 3 dB (GHz), ki meri odziv modulatorja na visokofrekvenčno modulacijo;
(3) Optična vstavljena izguba (dB) v območju modulacije. Iz tabele je razvidno, da ima tankoslojni litijev niobatni modulator očitne prednosti v pasovni širini modulacije, polvalovni napetosti, izgubi optične interpolacije in tako naprej.
Silicij, kot temelj integrirane optoelektronike, je bil do sedaj razvit, proces je zrel, njegova miniaturizacija vodi do obsežne integracije aktivnih/pasivnih naprav, njegov modulator pa je bil obsežno in poglobljeno raziskan na področju optike. komunikacije. Mehanizem elektro-optične modulacije silicija je predvsem izločanje nosilcev, vbrizgavanje nosilcev in kopičenje nosilcev. Med njimi je pasovna širina modulatorja optimalna z mehanizmom izčrpavanja nosilcev linearne stopnje, a ker se porazdelitev optičnega polja prekriva z neenakomernostjo območja izčrpavanja, bo ta učinek povzročil nelinearno popačenje drugega reda in intermodulacijsko popačenje tretjega reda pogojev, skupaj z absorpcijskim učinkom nosilca na svetlobo, kar bo vodilo do zmanjšanja amplitude optične modulacije in popačenja signala.
Modulator InP ima izjemne elektro-optične učinke, večplastna struktura kvantne vrtine pa lahko realizira modulatorje ultra visoke hitrosti in nizke pogonske napetosti z Vπ·L do 0,156 V · mm. Vendar sprememba lomnega količnika z električnim poljem vključuje linearne in nelinearne člene, povečanje intenzitete električnega polja pa bo povečalo učinek drugega reda. Zato morajo elektrooptični modulatorji iz silicija in InP uporabiti pristranskost, da tvorijo pn-spoj, ko delujejo, in pn-spoj bo osvetlil izgubo absorpcije. Vendar pa je velikost modulatorja teh dveh majhna, komercialna velikost modulatorja InP je 1/4 modulatorja LN. Visoka učinkovitost modulacije, primerna za digitalna optična prenosna omrežja z visoko gostoto in kratke razdalje, kot so podatkovni centri. Elektrooptični učinek litijevega niobata nima mehanizma absorpcije svetlobe in ima nizke izgube, kar je primerno za koherentno koherentnost na dolge razdalje.optična komunikacijaz veliko zmogljivostjo in visoko stopnjo. V mikrovalovni fotonski aplikaciji sta elektrooptična koeficienta Si in InP nelinearna, kar ni primerno za mikrovalovni fotonski sistem, ki si prizadeva za visoko linearnost in veliko dinamiko. Material litijevega niobata je zaradi svojega popolnoma linearnega koeficienta elektrooptične modulacije zelo primeren za mikrovalovno fotonsko uporabo.
Čas objave: 22. aprila 2024