Fordele og betydning af tynd film Lithium Niobate i integreret mikrobølgefoton -teknologi
Mikrobølgefoton -teknologiHar fordelene ved stor arbejdsbåndbredde, stærk parallel behandlingsevne og lavt transmissionstab, som har potentialet til at bryde den tekniske flaskehals i det traditionelle mikrobølgesystem og forbedre ydeevnen for militært elektronisk informationsudstyr såsom radar, elektronisk krigføring, kommunikation og måling og kontrol. Imidlertid har mikrobølgefotonsystemet baseret på diskrete enheder nogle problemer, såsom stor volumen, tung vægt og dårlig stabilitet, som alvorligt begrænser anvendelsen af mikrobølgefoton -teknologi i rumbårne og luftbårne platforme. Derfor er integreret mikrobølgefoton -teknologi ved at blive en vigtig støtte til at bryde anvendelsen af mikrobølgefoton i militært elektronisk informationssystem og give fuld spil til fordelene ved mikrobølgefoton -teknologi.
På nuværende tidspunkt er SI-baserede fotoniske integrationsteknologi og INP-baseret fotonisk integrationsteknologi blevet mere og mere modne efter mange års udvikling inden for optisk kommunikation, og der er sat en masse produkter på markedet. Til anvendelse af mikrobølgefoton er der imidlertid nogle problemer i disse to slags fotonintegrationsteknologier: for eksempel er den ikke-lineære elektrooptiske koefficient for SI-modulator og INP-modulator i strid med den høje linearitet og store dynamiske egenskaber, der forfølges af mikrobølgefoton-teknologi; F.eks. Har den siliciumoptiske switch, der realiserer optisk stiomskiftning, hvad enten det er baseret på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bærerinjektionsdispersionseffekt, problemerne med langsom skiftehastighed, strømforbrug og varmeforbrug, som ikke kan opfylde den hurtige stråle-scanning og store array-skala mikrobølgeovonapplikationer.
Lithium niobate har altid været det første valg til høj hastighedElektrooptisk modulationMaterialer på grund af dets fremragende lineære elektrooptiske effekt. Imidlertid den traditionelle lithium niobatElektro-optisk modulatorer lavet af massivt lithium niobat krystalmateriale, og enhedsstørrelsen er meget stor, hvilket ikke kan imødekomme behovene for integreret mikrobølgefoton -teknologi. Sådan integreres lithium-niobatmaterialer med lineær elektro-optisk koefficient i det integrerede mikrobølgefoton-teknologisystem er blevet målet for relevante forskere. I 2018 rapporterede et forskerteam fra Harvard University i USA først den fotoniske integrationsteknologi baseret på tynd film lithium niobat i naturen, fordi teknologien har fordelene ved høj integration, stor elektro-optisk moduleringsbåndbredde og høj linearitet af elektro-optisk effekt, når den først blev lanceret, det forårsagede straks den akademiske og industrielle opmærksomhed inden for feltet for fotonisk integration og mikrobavefiskning. Fra perspektivet af mikrobølgefotonapplikation gennemgår dette papir indflydelsen og betydningen af fotonintegrationsteknologi baseret på tynd film Lithium Niobate om udviklingen af mikrobølgefoton -teknologi.
Tynd film lithium niobat materiale og tynd filmLithium Niobate Modulator
I de seneste to år er en ny type lithium niobatmateriale fremkommet, det vil sige, at lithium niobatfilmen er eksfolieret fra det massive lithium niobate-krystal ved metoden til "ion-skive" og bundet til Si Wafer med et silicapufferlaget til dannelse af lnoi (linbo3-onsulator) materiale [5], der kaldes tyndt film lithium niiT-materiale i dette papir. Ridge waveguides with a height of more than 100 nanometers can be etched on thin film lithium niobate materials by optimized dry etching process, and the effective refractive index difference of the waveguides formed can reach more than 0.8 (far higher than the refractive index difference of traditional lithium niobate waveguides of 0.02), as shown in Figure 1. The strongly restricted waveguide makes it easier to match the light field with Mikrobølgefeltet, når du designer modulatoren. Det er således fordelagtigt at opnå nedre halvbølgespænding og større moduleringsbåndbredde i en kortere længde.
Udseendet af lavt tab lithium niobat submicron bølgeleder bryder flaskehalsen med høj kørespænding af traditionel lithium niobatelektrooptisk modulator. Elektrodeafstanden kan reduceres til ~ 5 μm, og overlapningen mellem det elektriske felt og feltet Optisk tilstand forøges i høj grad, og Vπ · l falder fra mere end 20 V · cm til mindre end 2,8 V · cm. Derfor, under den samme halvbølgespænding, kan enhedens længde reduceres kraftigt sammenlignet med den traditionelle modulator. På samme tid, efter at have optimeret parametrene for bredden, tykkelsen og intervallet af den rejsebølgeelektrode, som vist på figuren, kan modulatoren have evnen til ultrahøj moduleringsbåndbredde større end 100 GHz.
Fig. 1 （A） Beregnet tilstandsfordeling og （B） Billede af tværsnittet af LN-bølgeleder
Fig.2 （A） Bølgeleder og elektrodestruktur og （B） Corplate af LN -modulator
Sammenligningen af tyndfilm Lithium Niobate-modulatorer med traditionelle lithium niobate kommercielle modulatorer, siliciumbaserede modulatorer og indiumphosphid (INP) -modulatorer og andre eksisterende højhastighedselektro-optiske modulatorer, de vigtigste parametre for sammenligningen inkluderer:
(1) Halvbølgelængde-produkt (Vπ · L, V · cm), der måler modulatorens moduleringseffektivitet, jo mindre er værdien, jo højere er moduleringseffektiviteten;
(2) 3 dB-moduleringsbåndbredde (GHz), der måler modulatorens respons på højfrekvent modulation;
(3) Optisk indsættelsestab (DB) i moduleringsregionen. Det kan ses fra tabellen, at tynde film Lithium Niobate Modulator har åbenlyse fordele ved moduleringsbåndbredde, halvbølgespænding, optisk interpolationstab og så videre.
Silicium, som hjørnestenen i integreret optoelektronik, er blevet udviklet indtil videre, processen er moden, dens miniaturisering er befordrende for den store integration af aktive/passive enheder, og dens modulator er blevet bredt undersøgt inden for optisk kommunikation. Den elektro-optiske moduleringsmekanisme for silicium er hovedsageligt bærer-nedbrydning, bærerinjektion og akkumulering af bærer. Blandt dem er modulatorens båndbredde optimal med den lineære grad bærerudtømningsmekanisme, men fordi den optiske feltfordeling overlapper med ikke-ensartetheden af udtømningsregionen, vil denne effekt indføre ikke-lineær anden ordens forvrængning og tredje ordens intermodulationsforvrængningsbetingelser, forbundet med absorptionseffekten af bærere på lyset, hvilket vil føre til reduktion af den optiske modulering af amplitten og signalet.
INP-modulatoren har fremragende elektrooptiske effekter, og flerlags kvantebrøndstruktur kan realisere ultrahøj hastighed og lav kørespændingsmodulatorer med Vπ · L op til 0,156V · mm. Imidlertid inkluderer variationen af brydningsindeks med elektrisk felt lineære og ikke-lineære udtryk, og stigningen i elektrisk feltintensitet vil gøre den andenordens effekt fremtrædende. Derfor er silicium- og INP-elektrooptiske modulatorer nødt til at anvende bias til dannelse af PN-kryds, når de arbejder, og PN-krydset bringer absorptionstab til lys. Modulatorstørrelsen af disse to er imidlertid lille, den kommercielle INP -modulatorstørrelse er 1/4 af LN -modulatoren. Effektivitet med høj modulation, der er egnet til digital optiske transmissionsnetværk med kort afstand og kort afstand, såsom datacentre. Den elektro-optiske virkning af lithium niobat har ingen lysabsorptionsmekanisme og lavt tab, hvilket er velegnet til langdistance sammenhængendeOptisk kommunikationmed stor kapacitet og høj sats. I mikrobølgefotonapplikationen er de elektrooptiske koefficienter for Si og INP ikke-lineære, hvilket ikke er egnet til mikrobølgefotonsystemet, der forfølger høj linearitet og stor dynamik. Det lithium niobatmateriale er meget velegnet til mikrobølgefotonpåføring på grund af dets helt lineære elektrooptiske modulationskoefficient.
Posttid: APR-22-2024