Prednosti i značaj tankog filma litijevog niobata u integriranoj mikrovalnoj fotonskoj tehnologiji
Mikrovalna fotonska tehnologijaima prednosti velike radne propusnosti, snažne paralelne obrade i niskog gubitka pri prijenosu, što ima potencijal razbiti tehničko usko grlo tradicionalnih mikrovalnih sustava i poboljšati performanse vojne elektroničke informacijske opreme poput radara, elektroničkog ratovanja, komunikacije te mjerenja i upravljanja. Međutim, mikrovalni fotonski sustav temeljen na diskretnim uređajima ima neke probleme poput velikog volumena, velike težine i slabe stabilnosti, što ozbiljno ograničava primjenu tehnologije mikrovalnih fotona u svemirskim i zračnim platformama. Stoga integrirana tehnologija mikrovalnih fotona postaje važna podrška za razbijanje primjene mikrovalnih fotona u vojnom elektroničkom informacijskom sustavu i davanje punog prostora prednostima tehnologije mikrovalnih fotona.
Trenutno su tehnologije fotonske integracije temeljene na SI i INP postale sve zrelije nakon godina razvoja u području optičke komunikacije, a na tržište je stavljeno mnogo proizvoda. Međutim, za primjenu mikrovalnih fotona postoje neki problemi u ove dvije vrste tehnologija integracije fotona: na primjer, nelinearni elektrooptički koeficijent Si modulatora i InP modulatora suprotan je visokoj linearnosti i velikim dinamičkim karakteristikama koje teži tehnologija mikrovalnih fotona; na primjer, silicijska optička sklopka koja ostvaruje prebacivanje optičkog puta, bilo da se temelji na toplinsko-optičkom efektu, piezoelektričnom efektu ili efektu disperzije ubrizgavanja nosioca, ima probleme spore brzine prebacivanja, potrošnje energije i potrošnje topline, što ne može zadovoljiti primjene mikrovalnih fotona s brzim skeniranjem snopa i velikim nizovima.
Litij-niobat je oduvijek bio prvi izbor za velike brzineelektrooptička modulacijamaterijala zbog svog izvrsnog linearnog elektrooptičkog efekta. Međutim, tradicionalni litijev niobatelektrooptički modulatorIzrađen je od masivnog kristalnog materijala litijevog niobata, a veličina uređaja je vrlo velika, što ne može zadovoljiti potrebe integrirane mikrovalne fotonske tehnologije. Kako integrirati litijeve niobatne materijale s linearnim elektrooptičkim koeficijentom u integrirani sustav mikrovalne fotonske tehnologije postao je cilj relevantnih istraživača. Godine 2018. istraživački tim sa Sveučilišta Harvard u Sjedinjenim Državama prvi je put u Natureu izvijestio o tehnologiji fotonske integracije temeljenoj na tankom filmu litijevog niobata. Budući da tehnologija ima prednosti visoke integracije, velike propusnosti elektrooptičke modulacije i visoke linearnosti elektrooptičkog efekta, nakon lansiranja odmah je izazvala akademsku i industrijsku pozornost u području fotonske integracije i mikrovalne fotonike. Iz perspektive primjene mikrovalnog fotona, ovaj rad pregledava utjecaj i značaj tehnologije integracije fotona temeljene na tankom filmu litijevog niobata na razvoj mikrovalne fotonske tehnologije.
Tankoslojni litijev niobatni materijal i tanki filmmodulator litijevog niobata
U posljednje dvije godine pojavila se nova vrsta litijevog niobatnog materijala, odnosno film litijevog niobata koji se odvaja od masivnog kristala litijevog niobata metodom "ionskog rezanja" i veže za Si pločicu slojem silicijevog pufera kako bi se formirao LNOI (LiNbO3-Na-Izolatoru) materijal [5], koji se u ovom radu naziva tankoslojni litijev niobatni materijal. Grebenski valovodi visine veće od 100 nanometara mogu se nagrizati na tankoslojnim litijevim niobatnim materijalima optimiziranim postupkom suhog nagrizanja, a efektivna razlika indeksa loma formiranih valovoda može doseći više od 0,8 (daleko više od razlike indeksa loma tradicionalnih litijevih niobatnih valovoda od 0,02), kao što je prikazano na slici 1. Snažno ograničeni valovod olakšava usklađivanje svjetlosnog polja s mikrovalnim poljem pri projektiranju modulatora. Stoga je korisno postići niži poluvalni napon i veću modulacijsku propusnost u kraćoj duljini.
Pojava submikronskog valovoda od litijevog niobata s niskim gubicima uklanja usko grlo visokog pogonskog napona tradicionalnog elektrooptičkog modulatora od litijevog niobata. Razmak elektroda može se smanjiti na ~ 5 μm, a preklapanje između električnog polja i polja optičkog moda znatno se povećava, a vπ ·L smanjuje se s više od 20 V·cm na manje od 2,8 V·cm. Stoga se pod istim poluvalnim naponom duljina uređaja može znatno smanjiti u usporedbi s tradicionalnim modulatorom. Istovremeno, nakon optimizacije parametara širine, debljine i intervala elektrode putujućeg vala, kao što je prikazano na slici, modulator može imati sposobnost ultra visoke modulacijske propusnosti veće od 100 GHz.
Sl. 1 (a) izračunata raspodjela modova i (b) slika presjeka LN valovoda
Sl. 2 (a) Struktura valovoda i elektrode i (b) jezgra LN modulatora
Usporedba tankoslojnih litijevih niobatnih modulatora s tradicionalnim komercijalnim litijevim niobatnim modulatorima, modulatorima na bazi silicija i modulatorima indijevog fosfida (InP) te drugim postojećim brzim elektrooptičkim modulatorima, glavni parametri usporedbe uključuju:
(1) Poluvalni produkt volt-duljina (vπ ·L, V·cm), mjerenje učinkovitosti modulacije modulatora, što je vrijednost manja, to je veća učinkovitost modulacije;
(2) propusnost modulacije od 3 dB (GHz), koja mjeri odziv modulatora na visokofrekventnu modulaciju;
(3) Optički uneseni gubitak (dB) u području modulacije. Iz tablice se može vidjeti da tankoslojni litijev niobatni modulator ima očite prednosti u propusnosti modulacije, naponu poluvala, gubitku optičke interpolacije i tako dalje.
Silicij, kao temelj integrirane optoelektronike, do sada je razvijen, proces je zreo, njegova miniaturizacija pogoduje integraciji aktivnih/pasivnih uređaja velikih razmjera, a njegov modulator je široko i duboko proučavan u području optičke komunikacije. Mehanizam elektrooptičke modulacije silicija uglavnom je smanjenje nosioca, ubrizgavanje nosioca i akumulacija nosioca. Među njima, propusnost modulatora je optimalna s mehanizmom linearnog stupnja smanjenja nosioca, ali budući da se raspodjela optičkog polja preklapa s neujednačenošću područja smanjenja, ovaj učinak će uvesti nelinearna izobličenja drugog reda i intermodulacijska izobličenja trećeg reda, zajedno s učinkom apsorpcije nosioca na svjetlost, što će dovesti do smanjenja amplitude optičke modulacije i izobličenja signala.
InP modulator ima izvanredne elektrooptičke efekte, a višeslojna struktura kvantnih jama može ostvariti modulatore ultra visoke brzine i niskog napona pogona s Vπ·L do 0,156V · mm. Međutim, promjena indeksa loma s električnim poljem uključuje linearne i nelinearne članove, a povećanje intenziteta električnog polja učinit će efekt drugog reda istaknutim. Stoga, silicijski i InP elektrooptički modulatori moraju primijeniti pristranost kako bi formirali pn spoj kada rade, a pn spoj će uzrokovati gubitak apsorpcije. Međutim, veličina modulatora ova dva je mala, komercijalni InP modulator je 1/4 veličine LN modulatora. Visoka učinkovitost modulacije, pogodna za digitalne optičke prijenosne mreže visoke gustoće i kratkih udaljenosti kao što su podatkovni centri. Elektrooptički efekt litijevog niobata nema mehanizam apsorpcije svjetlosti i ima male gubitke, što je pogodno za koherentne prijenose na velike udaljenosti.optička komunikacijas velikim kapacitetom i velikom brzinom. U primjeni mikrovalnih fotona, elektrooptički koeficijenti Si i InP su nelinearni, što nije prikladno za sustav mikrovalnih fotona koji teži visokoj linearnosti i velikoj dinamici. Litij-niobatni materijal je vrlo prikladan za primjenu mikrovalnih fotona zbog svog potpuno linearnog koeficijenta elektrooptičke modulacije.
Vrijeme objave: 22. travnja 2024.