Fordeler og betydning av tynnfilm litiumniobat i integrert mikrobølgefotonteknologi
Mikrobølgefotonteknologihar fordelene med stor arbeidsbåndbredde, sterk parallellbehandlingsevne og lavt overføringstap, som har potensial til å bryte den tekniske flaskehalsen til tradisjonelle mikrobølgesystemer og forbedre ytelsen til militært elektronisk informasjonsutstyr som radar, elektronisk krigføring, kommunikasjon og måling og kontroll. Imidlertid har mikrobølgefotonsystemet basert på diskrete enheter noen problemer som stort volum, tung vekt og dårlig stabilitet, som alvorlig begrenser bruken av mikrobølgefotonteknologi i rombårne og luftbårne plattformer. Derfor er integrert mikrobølgefotonteknologi i ferd med å bli en viktig støtte for å bryte bruken av mikrobølgefoton i militært elektronisk informasjonssystem og gi full spill til fordelene med mikrobølgefotonteknologi.
For tiden har SI-basert fotonisk integrasjonsteknologi og INP-basert fotonisk integrasjonsteknologi blitt mer og mer moden etter år med utvikling innen optisk kommunikasjon, og mange produkter har blitt satt på markedet. For anvendelse av mikrobølgefoton er det imidlertid noen problemer i disse to typene fotonintegrasjonsteknologier: for eksempel er den ikke-lineære elektro-optiske koeffisienten til Si-modulator og InP-modulator i strid med den høye lineariteten og de store dynamiske egenskapene som etterfølges av mikrobølger foton teknologi; For eksempel har den optiske silisiumbryteren som realiserer optisk banesvitsjing, enten den er basert på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bærerinjeksjonsdispersjonseffekt, problemene med lav svitsjhastighet, strømforbruk og varmeforbruk, som ikke kan møte den raske stråleskanning og mikrobølgefotonapplikasjoner i stor skala.
Litiumniobat har alltid vært førstevalget for høy hastighetelektro-optisk modulasjonmaterialer på grunn av sin utmerkede lineære elektro-optiske effekt. Men den tradisjonelle litiumniobatelektro-optisk modulatorer laget av massivt litiumniobatkrystallmateriale, og enhetsstørrelsen er veldig stor, som ikke kan møte behovene til integrert mikrobølgefotonteknologi. Hvordan integrere litiumniobatmaterialer med lineær elektro-optisk koeffisient i det integrerte mikrobølgefotonteknologisystemet har blitt målet for relevante forskere. I 2018 rapporterte et forskerteam fra Harvard University i USA første gang den fotoniske integrasjonsteknologien basert på tynnfilm litiumniobat i naturen, fordi teknologien har fordelene med høy integrasjon, stor elektro-optisk modulasjonsbåndbredde og høy linearitet av elektro. -Optisk effekt, når den først ble lansert, forårsaket den umiddelbart den akademiske og industrielle oppmerksomheten innen fotonisk integrasjon og mikrobølgefotonikk. Fra perspektivet til mikrobølgefotonapplikasjon, gjennomgår denne artikkelen innflytelsen og betydningen av fotonintegrasjonsteknologi basert på tynnfilmlitiumniobat på utviklingen av mikrobølgefotonteknologi.
Tynnfilm litiumniobatmateriale og tynnfilmlitiumniobatmodulator
I løpet av de siste to årene har det dukket opp en ny type litiumniobatmateriale, det vil si at litiumniobatfilmen eksfolieres fra den massive litiumniobatkrystallen ved hjelp av metoden "ion-slicing" og bindes til Si-waferen med et silikabufferlag for å danne LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiale [5], som kalles tynnfilm litiumniobatmateriale i denne artikkelen. Ridge-bølgeledere med en høyde på mer enn 100 nanometer kan etses på tynnfilmlitiumniobatmaterialer ved optimalisert tørretsingsprosess, og den effektive brytningsindeksforskjellen til de dannede bølgelederne kan nå mer enn 0,8 (langt høyere enn brytningsindeksforskjellen til tradisjonelle bølgeledere). litiumniobatbølgeledere på 0,02), som vist i figur 1. Den sterkt begrensede bølgelederen gjør det lettere å matche lysfeltet med mikrobølgefeltet når man designer modulatoren. Dermed er det fordelaktig å oppnå lavere halvbølgespenning og større modulasjonsbåndbredde i en kortere lengde.
Utseendet til submikron bølgeleder av litiumniobat med lavt tap bryter flaskehalsen med høy drivspenning til tradisjonell elektrooptisk litiumniobatmodulator. Elektrodeavstanden kan reduseres til ~ 5 μm, og overlappingen mellom det elektriske feltet og det optiske modusfeltet økes kraftig, og vπ ·L reduseres fra mer enn 20 V·cm til mindre enn 2,8 V·cm. Derfor, under den samme halvbølgespenningen, kan lengden på enheten reduseres kraftig sammenlignet med den tradisjonelle modulatoren. Samtidig, etter optimalisering av parametrene for bredden, tykkelsen og intervallet til den bevegelige bølgeelektroden, som vist i figuren, kan modulatoren ha evnen til ultrahøy modulasjonsbåndbredde større enn 100 GHz.
Fig. 1 （a） beregnet modusfordeling og （b） bilde av tverrsnittet av LN-bølgeleder
Fig. 2 （a） Bølgeleder og elektrodestruktur og （b） kjerneplate til LN-modulator
Sammenligningen av tynnfilm litiumniobatmodulatorer med tradisjonelle kommersielle litiumniobatmodulatorer, silisiumbaserte modulatorer og indiumfosfid (InP) modulatorer og andre eksisterende høyhastighets elektrooptiske modulatorer, de viktigste parametrene for sammenligningen inkluderer:
(1) Halvbølget volt-lengdeprodukt (vπ ·L, V·cm), som måler modulasjonseffektiviteten til modulatoren, jo mindre verdi, jo høyere modulasjonseffektivitet;
(2) 3 dB modulasjonsbåndbredde (GHz), som måler modulatorens respons på høyfrekvent modulasjon;
(3) Optisk innsettingstap (dB) i modulasjonsområdet. Det kan sees fra tabellen at tynnfilm litiumniobatmodulator har åpenbare fordeler i modulasjonsbåndbredde, halvbølgespenning, optisk interpolasjonstap og så videre.
Silisium, som hjørnesteinen i integrert optoelektronikk, har blitt utviklet så langt, prosessen er moden, dens miniatyrisering bidrar til storskala integrasjon av aktive/passive enheter, og modulatoren har blitt mye og dypt studert innen optisk kommunikasjon. Den elektro-optiske modulasjonsmekanismen til silisium er hovedsakelig bærertømming, bærerinjeksjon og bærerakkumulering. Blant dem er båndbredden til modulatoren optimal med lineær grads bærebølgeutarmingsmekanisme, men fordi den optiske feltfordelingen overlapper med uensartetheten til utarmingsområdet, vil denne effekten introdusere ikke-lineær andreordens forvrengning og tredjeordens intermodulasjonsforvrengning. termer, kombinert med absorpsjonseffekten av bæreren på lyset, noe som vil føre til reduksjon av den optiske modulasjonsamplituden og signalforvrengningen.
InP-modulatoren har enestående elektro-optiske effekter, og flerlags kvantebrønnstrukturen kan realisere modulatorer med ultrahøy hastighet og lav drivspenning med Vπ·L opptil 0,156V · mm. Imidlertid inkluderer variasjonen av brytningsindeks med elektrisk felt lineære og ikke-lineære termer, og økningen i elektrisk feltintensitet vil gjøre andreordenseffekten fremtredende. Derfor må silisium- og InP-elektrooptiske modulatorer bruke bias for å danne pn-kryss når de fungerer, og pn-junction vil bringe absorpsjonstap frem i lyset. Modulatorstørrelsen på disse to er imidlertid liten, den kommersielle InP-modulatorstørrelsen er 1/4 av LN-modulatoren. Høy modulasjonseffektivitet, egnet for digitale optiske overføringsnettverk med høy tetthet og korte avstander som datasentre. Den elektrooptiske effekten av litiumniobat har ingen lysabsorpsjonsmekanisme og lavt tap, som er egnet for koherent lang avstandoptisk kommunikasjonmed stor kapasitet og høy rate. I mikrobølgefotonapplikasjonen er de elektrooptiske koeffisientene til Si og InP ikke-lineære, noe som ikke er egnet for mikrobølgefotonsystemet som forfølger høy linearitet og stor dynamikk. Litiumniobatmaterialet er veldig egnet for mikrobølgefotonpåføring på grunn av dets fullstendig lineære elektro-optiske modulasjonskoeffisient.
Innleggstid: 22. april 2024