Предимства и значимост на тънък филм Lithium niobate в интегрирана микровълнова фотонова технология
Микровълнова технология PhotonИма предимствата на голямата работна честотна лента, силната паралелна способност за обработка и ниската загуба на предаване, която има потенциал да прекъсне техническата пречка 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 фотонова система, базирана на дискретни устройства, има някои проблеми като голям обем, тежко тегло и лоша стабилност, които сериозно ограничават прилагането на микровълнова технология за фототон в космическите и въздушните платформи. Следователно интегрираната микровълнова фотонова технология се превръща във важна подкрепа за разбиване на прилагането на микровълнова фотон във военната електронна информационна система и да се даде пълна игра на предимствата на микровълновата технология за фототон.
Понастоящем базираната на SI технология за фототонна интеграция и технологията за фотонна интеграция, базирана на INP, стават все по-зрели след години на развитие в областта на оптичната комуникация и много продукти бяха пуснати на пазара. Въпреки това, за прилагането на микровълнов фотон обаче има някои проблеми в тези два вида технологии за интеграция на фотони: например нелинейният електрооптичен коефициент на SI модулатор и InP модулатор е противно на високата линейност и големите динамични характеристики, преследвани от микровълновата технология; Например, силициевият оптичен превключвател, който реализира превключване на оптичния път, независимо дали се основава на термично-оптичен ефект, пиезоелектрически ефект или ефект на инжектиране на носител, има проблемите на бавната скорост на превключване, консумацията на енергия и консумацията на топлина, което не може да отговаря на бързото сканиране на бързото сканиране на гредата и мащабната скала на масива.
Lithium niobate винаги е бил първият избор за висока скоростелектрооптична модулацияМатериали поради отличния си линеен електрооптичен ефект. Въпреки това, традиционният литиев niobateелектрооптичен модулаторе изработен от масивен кристален материал на литий Niobate, а размерът на устройството е много голям, който не може да отговори на нуждите на интегрирана микровълнова технология. Как да интегрирате литиеви ниобатни материали с линеен електрооптичен коефициент в интегрираната микровълнова технологична технологична система се превърна в цел на съответните изследователи. През 2018 г. изследователски екип от Харвардския университет в Съединените щати за първи път съобщи технологията за фототонна интеграция, базирана на тънък филмов литиев Niobate по природа, тъй като технологията има предимствата на високата интеграция, голямата електрооптична модулация честотна лента и високата линейност на електрооптичния ефект, след като стартира, веднага предизвика академичните и индустриалното внимание в областта на фотоновата интеграция и микрофил. От гледна точка на приложението за микровълново фотон, този документ разглежда влиянието и значимостта на технологията за интеграция на фотони, базирани на тънък филм Lithium niobate върху развитието на микровълновата технология Photon.
Литий от тънък филм Niobate и тънък филмЛитиев Niobate модулатор
През последните две години се появи нов тип литиев niobate материал, тоест литиевият ниобатен филм се ексфолира от масивния литиев ниобатен кристал по метода на „йонно нарязване“ и се свързва към SI вафла с този на буферния слой на силикагел, за да образува lnoi (linbo3-on-on-insulator) материал. 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 the microwave поле при проектиране на модулатора. По този начин е полезно да се постигне долно напрежение на половин вълна и по-голяма честотна лента на модулация с по-къса дължина.
Появата на литиев субмикрон с ниска загуба на ниобат разчупва препятствието на високото задвижване на традиционния литиев Niobate електрооптичен модулатор. Разстоянието на електрода 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 едно и също напрежение на половин вълна, 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 на ултрависирана честотна лента на модулация, по-голяма от 100 GHz.
Фиг.
Фиг.
Сравнението на тънки филмови модулатори на литиев ниобат с традиционни търговски модулатори на литиев Niobate, модулатори на силициев базиран и модулатори на индиев фосфид (INP) и други съществуващи високоскоростни електрооптични модулатори, основните параметри на сравнението включват:
(1) Продукт с дължина на полувълнова волта (Vπ · L, V · cm), измерване на ефективността на модулацията на модулатора, толкова по-малка е стойността, толкова по-висока е ефективността на модулация;
(2) 3 dB честотна лента на модулация (GHz), която измерва реакцията на модулатора на модулация с висока честота;
(3) Оптична загуба на вмъкване (DB) в областта на модулацията. От масата може да се види, че тънък филмов литиев Niobate модулатор има очевидни предимства в честотната лента на модулацията, напрежението на половин вълна, загубата на оптична интерполация и т.н.
Силиций, тъй като досега е разработен крайъгълен камък на интегрираната оптоелектроника, процесът е зрял, неговата миниатюризация е благоприятна за мащабната интеграция на активни/пасивни устройства и неговият модулатор е широко и дълбоко изучен в областта на оптичната комуникация. Механизмът на електрооптична модулация на силиций е главно делинг на носители, инжектиране на носители и натрупване на носители. Сред тях честотната лента на модулатора е оптимална с механизма за изчерпване на линейния носител, но тъй като оптичното разпределение на полето се припокрива с неравномерността на изчерпващия регион, този ефект ще въведе нелинейни изкривявания от втория ред и изкривяването на сигнала.
INP модулаторът има изключителни електрооптични ефекти, а многослойната структура на квантовия кладенец може да реализира ултра висока скорост и ниско задвижващи модулатори на напрежение с Vπ · L до 0,156V · mm. Вариацията на показателя на пречупване с електрическо поле обаче включва линейни и нелинейни термини, а увеличаването на интензитета на електрическото поле ще направи ефекта от втори ред. Следователно, силициевите и INP електрооптичните модулатори трябва да прилагат пристрастия, за да образуват PN възел, когато работят, а PN кръстовището ще доведе до загуба на абсорбция на светлина. Размерът на модулатора на тези две обаче е малък, размерът на търговския INP модулатор е 1/4 от LN модулатора. Висока ефективност на модулация, подходяща за цифрови оптични мрежи за оптична пренос с висока плътност и къси разстояния, като центрове за данни. Електрооптичният ефект на литиевия ниобат няма механизъм за абсорбция на светлина и ниска загуба, който е подходящ за кохерентен на дълги разстоянияоптична комуникацияс голям капацитет и висок процент. В прилагането на микровълнова фотона електрооптичните коефициенти на Si и InP са нелинейни, което не е подходящо за микровълновата фотонова система, която преследва висока линейност и голяма динамика. Литиевият Niobate материал е много подходящ за прилагане на микровълново фотон поради напълно линейния си коефициент на електрооптична модулация.
Време за публикация: април-22-2024