Fordele og betydning af tyndfilmslithiumniobat i integreret mikrobølgefotonteknologi
Mikrobølgefotonteknologihar fordelene ved stor arbejdsbåndbredde, stærk parallel processorevne og lavt transmissionstab, hvilket har potentiale til at bryde den tekniske flaskehals i traditionelle mikrobølgesystemer og forbedre ydeevnen af militært elektronisk informationsudstyr såsom radar, elektronisk krigsførelse, kommunikation samt måling og kontrol. Mikrobølgefotonsystemer baseret på diskrete enheder har imidlertid nogle problemer såsom stor volumen, tung vægt og dårlig stabilitet, hvilket alvorligt begrænser anvendelsen af mikrobølgefotonteknologi i rumfart og luftbårne platforme. Derfor er integreret mikrobølgefotonteknologi ved at blive en vigtig støtte til at bryde anvendelsen af mikrobølgefotoner i militære elektroniske informationssystemer og fuldt ud udnytte fordelene ved mikrobølgefotonteknologi.
I øjeblikket er SI-baseret fotonisk integrationsteknologi og INP-baseret fotonisk integrationsteknologi blevet mere og mere modne efter flere års udvikling inden for optisk kommunikation, og mange produkter er blevet bragt på markedet. Der er dog nogle problemer med disse to typer fotonintegrationsteknologier til anvendelse af mikrobølgefotoner: For eksempel er den ikke-lineære elektrooptiske koefficient for Si-modulatoren og InP-modulatoren i modstrid med den høje linearitet og store dynamiske egenskaber, der tilstræbes af mikrobølgefotonteknologi. For eksempel har den optiske siliciumswitch, der realiserer optisk stiskift, uanset om den er baseret på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bærerinjektionsdispersionseffekt, problemer med langsom skiftehastighed, strømforbrug og varmeforbrug, hvilket ikke kan leve op til de hurtige strålescannings- og mikrobølgefotonapplikationer i stor skala.
Lithiumniobat har altid været førstevalget til højhastigheds-elektrooptisk modulationmaterialer på grund af dets fremragende lineære elektrooptiske effekt. Imidlertid er det traditionelle lithiumniobatelektrooptisk modulatorer lavet af massivt lithiumniobatkrystalmateriale, og enhedens størrelse er meget stor, hvilket ikke kan opfylde behovene for integreret mikrobølgefotonteknologi. Hvordan man integrerer lithiumniobatmaterialer med lineær elektrooptisk koefficient i det integrerede mikrobølgefotonteknologisystem er blevet et mål for relevante forskere. I 2018 rapporterede et forskerhold fra Harvard University i USA for første gang om fotonisk integrationsteknologi baseret på tyndfilmslithiumniobat i Nature. Da teknologien har fordelene ved høj integration, stor elektrooptisk modulationsbåndbredde og høj linearitet af den elektrooptiske effekt, vakte den straks akademisk og industriel opmærksomhed inden for fotonisk integration og mikrobølgefotonik, da den først var lanceret. Fra et mikrobølgefotonanvendelsesperspektiv gennemgår denne artikel indflydelsen og betydningen af fotonintegrationsteknologi baseret på tyndfilmslithiumniobat på udviklingen af mikrobølgefotonteknologi.
Tyndfilms lithiumniobatmateriale og tyndfilmlithium niobat modulator
I de seneste to år er en ny type lithiumniobatmateriale dukket op, dvs. lithiumniobatfilmen eksfolieres fra den massive lithiumniobatkrystal ved hjælp af "ion-slicing"-metoden og bindes til Si-waferen med et silicabufferlag for at danne LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiale [5], som i denne artikel kaldes tyndfilmslithiumniobatmateriale. Ridge-bølgeledere med en højde på mere end 100 nanometer kan ætses på tyndfilmslithiumniobatmaterialer ved hjælp af en optimeret tørætsningsproces, og den effektive brydningsindeksforskel for de dannede bølgeledere kan nå mere end 0,8 (langt højere end brydningsindeksforskellen for traditionelle lithiumniobatbølgeledere på 0,02), som vist i figur 1. Den stærkt begrænsede bølgeleder gør det lettere at matche lysfeltet med mikrobølgefeltet, når modulatoren designes. Det er derfor fordelagtigt at opnå en lavere halvbølgespænding og en større modulationsbåndbredde i en kortere længde.
Udseendet af en lavtabs lithium niobat submikron bølgeleder bryder flaskehalsen ved den høje drivspænding i en traditionel lithium niobat elektrooptisk modulator. Elektrodeafstanden kan reduceres til ~ 5 μm, og overlapningen mellem det elektriske felt og det optiske modefelt øges betydeligt, og vπ · L falder fra mere end 20 V·cm til mindre end 2,8 V·cm. Derfor kan enhedens længde reduceres betydeligt under den samme halvbølgespænding sammenlignet med den traditionelle modulator. Samtidig, efter at have optimeret parametrene for bredde, tykkelse og interval af den vandrende bølgeelektrode, som vist i figuren, kan modulatoren have evnen til ultrahøj modulationsbåndbredde på over 100 GHz.
Fig. 1 (a) beregnet modefordeling og (b) billede af tværsnittet af LN-bølgelederen
Fig. 2 (a) Bølgeleder- og elektrodestruktur og (b) kerneplade af LN-modulator
Sammenligningen af tyndfilms-lithiumniobatmodulatorer med traditionelle kommercielle lithiumniobatmodulatorer, siliciumbaserede modulatorer og indiumphosphid (InP)-modulatorer og andre eksisterende højhastigheds-elektrooptiske modulatorer. Hovedparametrene for sammenligningen omfatter:
(1) Halvbølge volt-længde produkt (vπ ·L, V·cm), måling af modulatorens modulationseffektivitet, jo mindre værdien er, desto højere er modulationseffektiviteten;
(2) 3 dB modulationsbåndbredde (GHz), som måler modulatorens respons på højfrekvent modulation;
(3) Optisk indsættelsestab (dB) i modulationsområdet. Det fremgår af tabellen, at tyndfilms-lithiumniobatmodulatoren har åbenlyse fordele inden for modulationsbåndbredde, 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 storstilet integration af aktive/passive enheder, og dens modulator er blevet grundigt undersøgt inden for optisk kommunikation. Siliciums elektrooptiske modulationsmekanisme er primært bærerudtømning, bærerinjektion og bærerakkumulering. Blandt disse er modulatorens båndbredde optimal med den lineære bærerudtømningsmekanisme, men fordi den optiske feltfordeling overlapper med den manglende ensartethed i udtømningsområdet, vil denne effekt introducere ikke-lineære andenordensforvrængning og tredjeordens intermodulationsforvrængningstermer, kombineret med bærerens absorptionseffekt på lyset, hvilket vil føre til en reduktion af den optiske modulationsamplitude og signalforvrængning.
InP-modulatoren har fremragende elektrooptiske effekter, og den flerlagede kvantebrøndstruktur kan realisere modulatorer med ultrahøj hastighed og lav drivspænding med Vπ·L op til 0,156V·mm. Variationen af brydningsindeks med det elektriske felt inkluderer dog lineære og ikke-lineære termer, og stigningen i det elektriske feltintensitet vil gøre andenordenseffekten fremtrædende. Derfor skal silicium- og InP-elektrooptiske modulatorer anvende bias for at danne en pn-overgang, når de arbejder, og pn-overgangen vil medføre absorptionstab i lyset. Modulatorstørrelsen på disse to er dog lille, og den kommercielle InP-modulatorstørrelse er 1/4 af LN-modulatorens. Høj modulationseffektivitet, egnet til digitale optiske transmissionsnetværk med høj tæthed og korte afstande, såsom datacentre. Den elektrooptiske effekt af lithiumniobat har ingen lysabsorptionsmekanisme og lavt tab, hvilket er egnet til kohærente forbindelser over lange afstande.optisk kommunikationmed stor kapacitet og høj hastighed. I mikrobølgefotonapplikationer er de elektrooptiske koefficienter for Si og InP ikke-lineære, hvilket ikke er egnet til mikrobølgefotonsystemer, der stræber efter høj linearitet og stor dynamik. Lithiumniobatmaterialet er meget velegnet til mikrobølgefotonapplikationer på grund af dets fuldstændig lineære elektrooptiske modulationskoefficient.
Opslagstidspunkt: 22. april 2024