Fordele og betydning af tyndfilmslithiumniobat i integreret mikrobølgefotonteknologi
Mikrobølgefotonteknologihar fordelene ved stor arbejdsbåndbredde, stærk parallel behandlingsevne og lavt transmissionstab, hvilket har potentialet til at bryde den tekniske flaskehals i traditionelle mikrobølgesystemer og forbedre ydeevnen af militært elektronisk informationsudstyr såsom radar, elektronisk krigsførelse, kommunikation og måling og styring.Mikrobølgefotonsystemet baseret på diskrete enheder har dog nogle problemer såsom stor volumen, tung vægt og dårlig stabilitet, som alvorligt begrænser anvendelsen af mikrobølgefotonteknologi i rumbårne og luftbårne platforme.Derfor er integreret mikrobølgefotonteknologi ved at blive en vigtig støtte til at bryde anvendelsen af mikrobølgefoton i militære elektroniske informationssystem og give fuld udfoldelse til fordelene ved mikrobølgefotonteknologi.
På nuværende tidspunkt er SI-baseret fotonisk integrationsteknologi og INP-baseret fotonisk integrationsteknologi blevet mere og mere moden efter flere års udvikling inden for optisk kommunikation, og en masse produkter er blevet sat på markedet.For anvendelsen af mikrobølgefoton er der dog nogle problemer i disse to slags fotonintegrationsteknologier: for eksempel er den ikke-lineære elektro-optiske koefficient for Si-modulator og InP-modulator i modstrid med den høje linearitet og store dynamiske egenskaber, som mikrobølger forfølger foton teknologi;For eksempel har den optiske siliciumomskifter, der realiserer optisk vejskift, hvad enten den er baseret på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bærerindsprøjtningsspredningseffekt, problemerne med langsom omskiftningshastighed, strømforbrug og varmeforbrug, som ikke kan opfylde de hurtige strålescanning og mikrobølgefotonapplikationer i stor skala.
Lithiumniobat har altid været førstevalget til høj hastighedelektro-optisk modulationmaterialer på grund af dens fremragende lineære elektro-optiske effekt.Men det traditionelle lithiumniobatelektro-optisk modulatorer lavet af massivt lithiumniobat krystalmateriale, og enhedsstørrelsen er meget stor, hvilket ikke kan opfylde behovene for integreret mikrobølgefotonteknologi.Hvordan man integrerer lithiumniobatmaterialer med lineær elektro-optisk koefficient i det integrerede mikrobølgefotonteknologisystem er blevet målet for relevante forskere.I 2018 rapporterede et forskerhold fra Harvard University i USA første gang den fotoniske integrationsteknologi baseret på tyndfilm lithiumniobat 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, forårsagede den straks den akademiske og industrielle opmærksomhed inden for fotonisk integration og mikrobølgefotonik.Fra perspektivet af mikrobølgefotonapplikation gennemgår dette papir indflydelsen og betydningen af fotonintegrationsteknologi baseret på tyndfilmlithiumniobat på udviklingen af mikrobølgefotonteknologi.
Tynd film lithium niobat materiale og tynd filmlithium niobat modulator
I de seneste to år er en ny type lithiumniobatmateriale dukket op, det vil sige, at lithiumniobatfilmen eksfolieres fra den massive lithiumniobatkrystal ved metoden "ion-slicing" og bindes til Si waferen med et silicabufferlag til danne LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiale [5], som kaldes tyndfilm lithiumniobatmateriale i dette papir.Ridge-bølgeledere med en højde på mere end 100 nanometer kan ætses på tyndfilmslithiumniobatmaterialer ved optimeret tørætsningsproces, og den effektive brydningsindeksforskel af de dannede bølgeledere kan nå mere end 0,8 (langt højere end brydningsindeksforskellen for traditionelle lithium niobate bølgeledere 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 således fordelagtigt at opnå lavere halvbølgespænding og større modulationsbåndbredde i en kortere længde.
Fremkomsten af submikron bølgeleder af lithiumniobat med lavt tab bryder flaskehalsen med høj drivspænding for traditionel lithiumniobat elektro-optisk modulator.Elektrodeafstanden kan reduceres til ~ 5 μm, og overlapningen mellem det elektriske felt og det optiske tilstandsfelt øges kraftigt, og vπ ·L falder fra mere end 20 V·cm til mindre end 2,8 V·cm.Derfor kan længden af enheden under den samme halvbølgespænding reduceres betydeligt sammenlignet med den traditionelle modulator.På samme tid, efter optimering af parametrene for bredden, tykkelsen og intervallet af den bevægende bølgeelektrode, som vist på figuren, kan modulatoren have evnen til ultrahøj modulationsbåndbredde større end 100 GHz.
Fig. 1 (a) beregnet tilstandsfordeling og (b) billede af tværsnittet af LN-bølgelederen
Fig. 2 (a) Bølgeleder og elektrodestruktur og (b) kerneplade af LN-modulator
Sammenligningen af tyndfilmslithiumniobatmodulatorer med traditionelle lithiumniobatmodulatorer, siliciumbaserede modulatorer og indiumphosphid (InP) modulatorer og andre eksisterende højhastigheds elektro-optiske modulatorer, de vigtigste parametre i sammenligningen omfatter:
(1) Halvbølget voltlængdeprodukt (vπ ·L, V·cm), der måler modulatorens modulationseffektivitet, jo mindre værdien er, desto højere er modulationseffektiviteten;
(2) 3 dB modulationsbåndbredde (GHz), som måler modulatorens respons på højfrekvensmodulation;
(3) Optisk indsættelsestab (dB) i modulationsområdet.Det kan ses fra tabellen, at tyndfilm lithiumniobatmodulator har åbenlyse fordele i 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 storstilet integration af aktive/passive enheder, og dens modulator er blevet bredt og dybt studeret inden for optisk meddelelse.Den elektro-optiske moduleringsmekanisme af silicium er hovedsageligt carrier depling-tion, carrier injektion og carrier akkumulering.Blandt dem er modulatorens båndbredde optimal med den lineære grads bærebølgeudtømningsmekanisme, men fordi den optiske feltfordeling overlapper med uensartetheden af udtømningsregionen, vil denne effekt introducere ikke-lineær andenordens forvrængning og tredjeordens intermodulationsforvrængning termer, kombineret med bærebølgens absorptionseffekt på lyset, hvilket vil føre til reduktion af den optiske modulationsamplitude og signalforvrængning.
InP-modulatoren har enestående elektro-optiske effekter, og flerlags kvantebrøndstrukturen kan realisere modulatorer med ultrahøj hastighed og lav drivspænding med Vπ·L op til 0,156V · mm.Variationen af brydningsindeks med elektrisk felt inkluderer dog lineære og ikke-lineære udtryk, og stigningen i elektrisk feltintensitet vil gøre andenordenseffekten fremtrædende.Derfor skal silicium og InP elektro-optiske modulatorer anvende bias for at danne pn junction, når de fungerer, og pn junction vil bringe absorptionstab frem i lyset.Modulatorstørrelsen af disse to er dog lille, den kommercielle InP-modulatorstørrelse er 1/4 af LN-modulatoren.Høj modulationseffektivitet, velegnet til digitale optiske transmissionsnetværk med høj tæthed og korte afstande, såsom datacentre.Den elektro-optiske effekt af lithiumniobat har ingen lysabsorptionsmekanisme og lavt tab, hvilket er velegnet til sammenhængende langdistanceoptisk kommunikationmed stor kapacitet og høj hastighed.I mikrobølgefotonapplikationen er de elektro-optiske koefficienter for Si og InP ikke-lineære, hvilket ikke er egnet til mikrobølgefotonsystemet, som forfølger høj linearitet og stor dynamik.Lithiumniobatmaterialet er meget velegnet til mikrobølgefotonapplikation på grund af dets fuldstændig lineære elektro-optiske modulationskoefficient.
Indlægstid: 22-apr-2024