Предимства и значение на тънкослойния литиев ниобат в интегрирана микровълнова фотонна технология
Микровълнова фотонна технологияима предимствата на широка работна честотна лента, силна способност за паралелна обработка и ниски загуби при предаване, което има потенциала да прекъсне техническите затруднения на традиционната микровълнова система и да подобри работата на военно електронно информационно оборудване като радар, електронна война, комуникация и измерване и контрол. Въпреки това микровълновата фотонна система, базирана на дискретни устройства, има някои проблеми като голям обем, голямо тегло и лоша стабилност, които сериозно ограничават приложението на микровълнова фотонна технология в космически и въздушни платформи. Следователно интегрираната микровълнова фотонна технология се превръща във важна подкрепа за прекъсване на приложението на микровълновия фотон във военната електронна информационна система и пълноценно използване на предимствата на микровълновата фотонна технология.
Понастоящем технологията за фотонна интеграция, базирана на SI и технологията за фотонна интеграция, базирана на INP, стават все по-зрели след години на развитие в областта на оптичната комуникация и много продукти са пуснати на пазара. Въпреки това, за прилагането на микровълновия фотон, има някои проблеми в тези два вида технологии за интегриране на фотон: например нелинейният електрооптичен коефициент на Si модулатора и InP модулатора е в противоречие с високата линейност и големите динамични характеристики, преследвани от микровълните фотонна технология; Например силициевият оптичен превключвател, който реализира превключване на оптичен път, независимо дали се основава на термично-оптичен ефект, пиезоелектричен ефект или ефект на дисперсия на инжектиране на носител, има проблемите с бавната скорост на превключване, консумацията на енергия и консумацията на топлина, които не могат да отговорят на бързата лъчево сканиране и широкомащабни микровълнови фотонни приложения.
Литиевият ниобат винаги е бил първият избор за висока скоростелектрооптична модулацияматериали поради отличния си линеен електрооптичен ефект. Въпреки това, традиционният литиев ниобателектрооптичен модулаторе направен от масивен кристален материал от литиев ниобат и размерът на устройството е много голям, което не може да отговори на нуждите на интегрирана микровълнова фотонна технология. Как да се интегрират материали от литиев ниобат с линеен електрооптичен коефициент в интегрираната микровълнова фотонна технологична система се превърна в цел на съответните изследователи. През 2018 г. изследователски екип от Харвардския университет в Съединените щати за първи път докладва технологията за фотонна интеграция, базирана на тънкослоен литиев ниобат в природата, тъй като технологията има предимствата на висока интеграция, голяма честотна лента на електрооптична модулация и висока линейност на електро -оптичен ефект, веднъж пуснат на пазара, веднага предизвика академичното и индустриално внимание в областта на фотонната интеграция и микровълновата фотоника. От гледна точка на приложението на микровълнови фотони, тази статия прави преглед на влиянието и значението на технологията за интегриране на фотони, базирана на тънкослоен литиев ниобат, върху развитието на технологията на микровълновите фотони.
Тънкослоен материал от литиев ниобат и тънък филммодулатор на литиев ниобат
През последните две години се появи нов тип материал от литиев ниобат, т.е. филмът от литиев ниобат се ексфолира от масивния кристал на литиев ниобат чрез метода на „йонно нарязване“ и се свързва към Si вафлата със силициев буферен слой, за да образуват материал LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], който в тази статия се нарича тънкослоен материал от литиев ниобат. Ридж вълноводи с височина над 100 нанометра могат да бъдат гравирани върху тънкослойни материали от литиев ниобат чрез оптимизиран процес на сухо ецване, а ефективната разлика в индекса на пречупване на формираните вълноводи може да достигне повече от 0,8 (далеч по-висока от разликата в индекса на пречупване на традиционните вълноводи от литиев ниобат от 0,02), както е показано на фигура 1. Силно ограниченият вълновод улеснява съпоставете светлинното поле с микровълновото поле, когато проектирате модулатора. По този начин е полезно да се постигне по-ниско напрежение на полувълната и по-голяма честотна лента на модулация при по-къса дължина.
Появата на субмикронен вълновод с ниски загуби на литиев ниобат прекъсва препятствията на високото задвижващо напрежение на традиционния електрооптичен модулатор на литиев ниобат. Разстоянието между електродите може да бъде намалено до ~ 5 μm и припокриването между електрическото поле и полето на оптичния режим е значително увеличено и vπ ·L намалява от повече от 20 V·cm до по-малко от 2,8 V·cm. Следователно, при същото полувълново напрежение, дължината на устройството може да бъде значително намалена в сравнение с традиционния модулатор. В същото време, след оптимизиране на параметрите на ширината, дебелината и интервала на електрода на пътуващата вълна, както е показано на фигурата, модулаторът може да има способността за ултрависока честотна лента на модулация, по-голяма от 100 GHz.
Фиг.1 （a） изчислено разпределение на модата и （b） изображение на напречното сечение на LN вълновод
Фиг.2 （a） Структура на вълновод и електрод и （b） основна плоча на LN модулатор
Сравнението на тънкослойни модулатори от литиев ниобат с традиционни търговски модулатори от литиев ниобат, базирани на силиций модулатори и модулатори от индиев фосфид (InP) и други съществуващи високоскоростни електрооптични модулатори, основните параметри на сравнението включват:
(1) Полувълнов продукт волт-дължина (vπ ·L, V·cm), измерващ модулационната ефективност на модулатора, колкото по-малка е стойността, толкова по-висока е модулационната ефективност;
(2) 3 dB честотна лента на модулация (GHz), която измерва реакцията на модулатора към високочестотна модулация;
(3) Оптична вмъкната загуба (dB) в областта на модулация. От таблицата може да се види, че тънкослойният литиево-ниобатен модулатор има очевидни предимства в модулационната честотна лента, напрежението на полувълната, загубата на оптична интерполация и т.н.
Силицият, като крайъгълен камък на интегрираната оптоелектроника, е разработен досега, процесът е зрял, неговата миниатюризация е благоприятна за широкомащабна интеграция на активни/пасивни устройства, а неговият модулатор е широко и задълбочено проучен в областта на оптичните комуникация. Електрооптичният модулационен механизъм на силиций е главно намаляване на носителя, инжектиране на носител и натрупване на носител. Сред тях честотната лента на модулатора е оптимална с механизма за изчерпване на носителя с линейна степен, но тъй като разпределението на оптичното поле се припокрива с неравномерността на областта на изчерпване, този ефект ще въведе нелинейно изкривяване от втори ред и интермодулационно изкривяване от трети ред термини, съчетани с абсорбционния ефект на носителя върху светлината, което ще доведе до намаляване на амплитудата на оптичната модулация и изкривяването на сигнала.
InP модулаторът има изключителни електрооптични ефекти, а многослойната структура на квантовата ямка може да реализира модулатори с ултрависока скорост и ниско управляващо напрежение с Vπ·L до 0,156 V · mm. Въпреки това, промяната на индекса на пречупване с електрическо поле включва линейни и нелинейни термини и увеличаването на интензитета на електрическото поле ще направи ефекта от втори ред виден. Следователно силициевите и InP електрооптични модулатори трябва да прилагат отклонение, за да образуват pn преход, когато работят, а pn преходът ще изведе наяве загубата на абсорбция. Въпреки това, размерът на модулатора на тези два е малък, размерът на търговския InP модулатор е 1/4 от LN модулатора. Висока модулационна ефективност, подходяща за цифрови оптични предавателни мрежи с висока плътност и къси разстояния, като центрове за данни. Електрооптичният ефект на литиевия ниобат няма механизъм за поглъщане на светлина и ниска загуба, което е подходящо за кохерентно свързване на дълги разстоянияоптична комуникацияс голям капацитет и висока скорост. В микровълновото фотонно приложение електрооптичните коефициенти на Si и InP са нелинейни, което не е подходящо за микровълнова фотонна система, която преследва висока линейност и голяма динамика. Материалът от литиев ниобат е много подходящ за микровълново фотонно приложение поради своя напълно линеен коефициент на електрооптична модулация.
Време на публикуване: 22 април 2024 г