Prednosti i značaj tankog filma litijevog niobata u integriranoj mikrovalnoj fotonskoj tehnologiji
Mikrovalna fotonska tehnologijaima prednosti velike radne širine pojasa, jake sposobnosti paralelne obrade i niskog gubitka prijenosa, što ima potencijal razbiti tehničko usko grlo tradicionalnog mikrovalnog sustava i poboljšati performanse vojne elektronske informacijske opreme kao što su radar, elektroničko ratovanje, komunikacija i mjerenje i kontrolirati. Međutim, mikrovalni fotonski sustav temeljen na diskretnim uređajima ima neke probleme poput velikog volumena, velike težine i slabe stabilnosti, koji ozbiljno ograničavaju primjenu mikrovalne fotonske tehnologije u svemirskim i zračnim platformama. Stoga, integrirana mikrovalna fotonska tehnologija postaje važna potpora za prekidanje primjene mikrovalne fotonske tehnologije u vojnom elektroničkom informacijskom sustavu i daje punu prednost prednostima mikrovalne fotonske tehnologije.
Trenutačno, fotonska integracijska tehnologija temeljena na SI-u i fotonska integracijska tehnologija temeljena na INP-u postaju sve zrelije nakon godina razvoja u području optičke komunikacije, a na tržište je stavljeno mnogo proizvoda. Međutim, za primjenu mikrovalnog fotona, postoje neki problemi u ove dvije vrste tehnologija integracije fotona: na primjer, nelinearni elektrooptički koeficijent Si modulatora i InP modulatora je u suprotnosti s visokom linearnošću i velikim dinamičkim karakteristikama mikrovalova fotonska tehnologija; Na primjer, silicijska optička sklopka koja ostvaruje promjenu optičkog puta, bilo da se temelji na toplinsko-optičkom učinku, piezoelektričnom učinku ili učinku disperzije ubrizgavanja nosača, ima probleme spore brzine prebacivanja, potrošnje energije i potrošnje topline, što ne može zadovoljiti brzu skeniranje snopa i primjene mikrovalnih fotona velikih nizova.
Litijev niobat uvijek je bio prvi izbor za velike brzineelektrooptička modulacijamaterijala zbog izvrsnog linearnog elektrooptičkog učinka. Međutim, tradicionalni litij niobatelektrooptički modulatorizrađen je od masivnog kristalnog materijala litij niobata, a veličina uređaja je vrlo velika, što ne može zadovoljiti potrebe integrirane mikrovalne fotonske tehnologije. Kako integrirati materijale litij niobata 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 izvijestio o fotonskoj integracijskoj tehnologiji koja se temelji na tankom sloju litijeva niobata u Natureu, jer tehnologija ima prednosti visoke integracije, velike elektro-optičke modulacijske širine pojasa i visoke linearnosti elektro -optički efekt, jednom lansiran, odmah je izazvao akademsku i industrijsku pozornost u području fotonske integracije i mikrovalne fotonike. Iz perspektive primjene mikrovalnih fotona, ovaj rad daje pregled utjecaja i značaja tehnologije integracije fotona temeljene na tankom sloju litijeva niobata na razvoj tehnologije mikrovalnih fotona.
Tankoslojni litij niobatni materijal i tanki filmmodulator litij niobat
U posljednje dvije godine pojavila se nova vrsta materijala od litijevog niobata, odnosno, film od litijevog niobata se ljušti s masivnog kristala litijevog niobata metodom "rezanja iona" i spaja na Silicij pločicu s međuslojem od silicijevog dioksida kako bi tvore LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materijal [5], koji se u ovom radu naziva tankoslojni materijal litij niobat. Grebeni valovoda visine veće od 100 nanometara mogu se urezati na materijale tankog sloja litij niobata optimiziranim postupkom suhog jetkanja, a efektivna razlika indeksa loma formiranih valovoda može doseći više od 0,8 (daleko više od razlike indeksa loma tradicionalnih valovode litij-niobata od 0,02), kao što je prikazano na slici 1. Jako ograničeni valovod olakšava usklađivanje svjetlosnog polja s mikrovalnim poljem pri projektiranju modulatora. Stoga je korisno postići niži poluvalni napon i veću propusnost modulacije u kraćoj duljini.
Pojava submikronskog valovoda litij niobata s malim gubicima razbija usko grlo visokog pogonskog napona tradicionalnog elektrooptičkog modulatora litij niobata. Razmak između 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, pod istim poluvalnim naponom, duljina uređaja može se znatno smanjiti u usporedbi s tradicionalnim modulatorom. U isto vrijeme, nakon optimizacije parametara širine, debljine i intervala elektrode putujućeg vala, kao što je prikazano na slici, modulator može imati sposobnost ultravisoke modulacijske širine pojasa veće od 100 GHz.
Slika 1 （a） izračunata distribucija modova i （b） slika poprečnog presjeka LN valovoda
Slika 2 （a） Struktura valovoda i elektrode i （b） središnja ploča LN modulatora
Usporedba tankoslojnih modulatora litijevog niobata s tradicionalnim komercijalnim modulatorima litijevog niobata, modulatorima na bazi silicija i modulatorima od indijevog fosfida (InP) i drugim postojećim elektrooptičkim modulatorima velike brzine, glavni parametri usporedbe uključuju:
(1) Poluvalni umnožak volt-duljine (vπ ·L, V·cm), mjerenje učinkovitosti modulacije modulatora, što je manja vrijednost, veća je učinkovitost modulacije;
(2) širina pojasa 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 modulator tankog filma litij niobat ima očite prednosti u propusnosti modulacije, poluvalnom naponu, gubitku optičke interpolacije i tako dalje.
Silicij, kao kamen temeljac integrirane optoelektronike, do sada je razvijen, proces je zreo, njegova minijaturizacija pogoduje velikoj integraciji aktivnih/pasivnih uređaja, a njegov modulator je naširoko i duboko proučavan u polju optičkih komunikacija. Mehanizam elektrooptičke modulacije silicija uglavnom je smanjenje nositelja, ubacivanje nositelja i nakupljanje nositelja. Među njima, širina pojasa modulatora je optimalna s mehanizmom iscrpljivanja nositelja linearnog stupnja, ali budući da se distribucija optičkog polja preklapa s neuniformnošću područja osiromašenja, ovaj će učinak uvesti nelinearno izobličenje drugog reda i intermodulacijsko izobličenje trećeg reda terminima, zajedno s učinkom apsorpcije nosača na svjetlost, što će dovesti do smanjenja amplitude optičke modulacije i izobličenja signala.
InP modulator ima izvanredne elektrooptičke učinke, a višeslojna struktura kvantne jame može realizirati modulatore ultra visoke brzine i niskog pogonskog napona s Vπ·L do 0,156 V · mm. Međutim, varijacija indeksa loma s električnim poljem uključuje linearne i nelinearne članke, a povećanje intenziteta električnog polja učinit će učinak drugog reda istaknutim. Stoga elektrooptički modulatori od silicija i InP moraju primijeniti prednapon kako bi formirali pn spoj kada rade, a pn spoj će otkriti gubitak apsorpcije. Međutim, veličina modulatora ova dva je mala, veličina komercijalnog InP modulatora je 1/4 LN modulatora. Visoka učinkovitost modulacije, pogodna za digitalne optičke prijenosne mreže velike gustoće i kratke udaljenosti kao što su podatkovni centri. Elektrooptički učinak litijevog niobata nema mehanizam apsorpcije svjetla i ima nizak gubitak, što je pogodno za koherentno snimanje na velike udaljenostioptička komunikacijavelikog kapaciteta i visoke brzine. U primjeni mikrovalnog fotona, elektrooptički koeficijenti Si i InP su nelinearni, što nije prikladno za mikrovalni fotonski sustav koji teži visokoj linearnosti i velikoj dinamici. Materijal litij niobat vrlo je prikladan za mikrovalnu fotonsku primjenu zbog svog potpuno linearnog koeficijenta elektrooptičke modulacije.
Vrijeme objave: 22. travnja 2024