Fordeler og betydning av tynnfilmslitiumniobat i integrert mikrobølgefotonteknologi
Mikrobølgefotonteknologihar fordelene med stor arbeidsbåndbredde, sterk parallell prosesseringsevne og lavt overføringstap, noe 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. Mikrobølgefotonsystemer basert på diskrete enheter har imidlertid noen problemer, som stort volum, tung vekt og dårlig stabilitet, noe som i alvorlig grad begrenser bruken av mikrobølgefotonteknologi i rombaserte og luftbårne plattformer. Derfor er integrert mikrobølgefotonteknologi i ferd med å bli en viktig støtte for å bryte bruken av mikrobølgefotoner i militære elektroniske informasjonssystemer og gi full utnyttelse av fordelene med mikrobølgefotonteknologi.
For tiden har SI-basert fotonisk integrasjonsteknologi og INP-basert fotonisk integrasjonsteknologi blitt mer og mer modne etter årevis med utvikling innen optisk kommunikasjon, og mange produkter har blitt lansert på markedet. For bruk av mikrobølgefotoner er det imidlertid noen problemer med disse to typene fotonintegrasjonsteknologier: for eksempel er den ikke-lineære elektrooptiske koeffisienten til Si-modulatoren og InP-modulatoren i strid med den høye lineariteten og de store dynamiske egenskapene som forfølges av mikrobølgefotonteknologi. For eksempel har den optiske silisiumbryteren som realiserer optisk banebryting, enten basert på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bærerinjeksjonsdispersjonseffekt, problemer med lav byttehastighet, strømforbruk og varmeforbruk, noe som ikke kan oppfylle kravene til rask stråleskanning og mikrobølgefotonapplikasjoner i stor skala.
Litiumniobat har alltid vært førstevalget for høyhastighetselektrooptisk moduleringmaterialer på grunn av den utmerkede lineære elektrooptiske effekten. Imidlertid er det tradisjonelle litiumniobatetelektrooptisk modulatorer laget av massivt litiumniobatkrystallmateriale, og enhetsstørrelsen er svært stor, noe som ikke kan oppfylle behovene til integrert mikrobølgefotonteknologi. Hvordan integrere litiumniobatmaterialer med lineær elektrooptisk koeffisient i det integrerte mikrobølgefotonteknologisystemet har blitt målet til relevante forskere. I 2018 rapporterte et forskerteam fra Harvard University i USA først den fotoniske integrasjonsteknologien basert på tynnfilmslitiumniobat i Nature. Fordi teknologien har fordelene med høy integrasjon, stor elektrooptisk modulasjonsbåndbredde og høy linearitet i den elektrooptiske effekten, vakte den umiddelbart akademisk og industriell oppmerksomhet innen fotonisk integrasjon og mikrobølgefotonikk etter lansering. Fra et mikrobølgefotonanvendelsesperspektiv gjennomgår denne artikkelen innflytelsen og betydningen av fotonintegrasjonsteknologi basert på tynnfilmslitiumniobat på utviklingen av mikrobølgefotonteknologi.
Tynnfilmslitiumniobatmateriale og tynnfilmlitiumniobatmodulator
I løpet av de siste to årene har en ny type litiumniobatmateriale dukket opp, det vil si at litiumniobatfilmen eksfolieres fra den massive litiumniobatkrystallen ved hjelp av metoden «ionedeling» og bindes til Si-waferen med et silikabufferlag for å danne LNOI (LiNbO3-On-Insulator)-materiale [5], som i denne artikkelen kalles tynnfilmslitiumniobatmateriale. Ryggbølgeledere med en høyde på mer enn 100 nanometer kan etses på tynnfilmslitiumniobatmaterialer ved hjelp av en optimalisert tørretsingsprosess, og den effektive brytningsindeksforskjellen til de dannede bølgelederne kan nå mer enn 0,8 (mye høyere enn brytningsindeksforskjellen til tradisjonelle litiumniobatbølgeledere på 0,02), som vist i figur 1. Den sterkt begrensede bølgelederen gjør det enklere 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 lavtap-litiumniobat-submikronbølgeledere bryter flaskehalsen med høy drivspenning i tradisjonelle litiumniobat-elektrooptiske modulatorer. Elektrodeavstanden kan reduseres til ~ 5 μm, og overlappingen mellom det elektriske feltet og det optiske modusfeltet økes betraktelig, og vπ·L reduseres fra mer enn 20 V·cm til mindre enn 2,8 V·cm. Derfor kan lengden på enheten reduseres betraktelig sammenlignet med den tradisjonelle modulatoren under samme halvbølgespenning. Samtidig, etter å ha optimalisert parameterne for bredde, tykkelse og avstand til den vandrende bølgeelektroden, som vist på figuren, kan modulatoren ha evnen til ultrahøy modulasjonsbåndbredde større enn 100 GHz.
Fig. 1 (a) beregnet modusfordeling og (b) bilde av tverrsnittet av LN-bølgelederen
Fig. 2 (a) Bølgeleder- og elektrodestruktur og (b) kjerneplate til LN-modulator
Sammenligningen av tynnfilms litiumniobatmodulatorer med tradisjonelle kommersielle litiumniobatmodulatorer, silisiumbaserte modulatorer og indiumfosfid (InP)-modulatorer og andre eksisterende høyhastighets elektrooptiske modulatorer, hovedparametrene for sammenligningen inkluderer:
(1) Halvbølge volt-lengde produkt (vπ ·L, V·cm), som måler modulatorens modulasjonseffektivitet, jo mindre verdien er, desto høyere er modulasjonseffektiviteten;
(2) 3 dB modulasjonsbåndbredde (GHz), som måler modulatorens respons på høyfrekvent modulasjon;
(3) Optisk innsettingstap (dB) i modulasjonsområdet. Det fremgår av tabellen at tynnfilmslitiumniobatmodulatoren har åpenbare fordeler innen modulasjonsbåndbredde, halvbølgespenning, optisk interpolasjonstap og så videre.
Silisium, som hjørnesteinen i integrert optoelektronikk, har blitt utviklet så langt. Prosessen er moden, miniatyriseringen bidrar til storskala integrering av aktive/passive enheter, og modulatoren har blitt grundig studert innen optisk kommunikasjon. Den elektrooptiske moduleringsmekanismen til silisium er hovedsakelig bærerutarming, bærerinjeksjon og bærerakkumulering. Blant disse er modulatorens båndbredde optimal med den lineære graden av bærerutarmingsmekanisme, men fordi den optiske feltfordelingen overlapper med ujevnheten i utarmingsområdet, vil denne effekten introdusere ikke-lineære andreordens forvrengnings- og tredjeordens intermodulasjonsforvrengningstermer, kombinert med bærerens absorpsjonseffekt på lyset, noe som vil føre til reduksjon av den optiske modulasjonsamplituden og signalforvrengningen.
InP-modulatoren har enestående elektrooptiske effekter, og den flerlags kvantebrønnstrukturen kan realisere modulatorer med ultrahøy hastighet og lav drivspenning med Vπ·L opptil 0,156 V·mm. Variasjonen av brytningsindeks med elektrisk felt inkluderer imidlertid lineære og ikke-lineære termer, og økningen av elektrisk feltintensitet vil gjøre andreordenseffekten fremtredende. Derfor må silisium- og InP-elektrooptiske modulatorer bruke forspenning for å danne pn-overgang når de fungerer, og pn-overgang vil føre til absorpsjonstap i lys. Modulatorstørrelsen til 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, noe som er egnet for koherent over lange avstander.optisk kommunikasjonmed stor kapasitet og høy hastighet. I mikrobølgefotonapplikasjoner er de elektrooptiske koeffisientene til Si og InP ikke-lineære, noe som ikke er egnet for mikrobølgefotonsystemer som forfølger høy linearitet og stor dynamikk. Litiumniobatmaterialet er svært egnet for mikrobølgefotonapplikasjoner på grunn av sin fullstendig lineære elektrooptiske modulasjonskoeffisient.
Publisert: 22. april 2024