Предимства и значение на тънкослойния литиев ниобат в интегрираната микровълнова фотонна технология
Микровълнова фотонна технологияИма предимствата на голяма работна честотна лента, силна паралелна обработка и ниски загуби при предаване, което има потенциал да преодолее техническото ограничение на традиционните микровълнови системи и да подобри производителността на военното електронно информационно оборудване, като радар, електронна война, комуникация и измерване и управление. Микровълновата фотонна система, базирана на дискретни устройства, обаче има някои проблеми, като голям обем, тежко тегло и лоша стабилност, които сериозно ограничават приложението на микровълновата 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 военните електронни информационни системи и за пълноценно използване на предимствата на микровълновата фотонна технология.
В момента, технологиите за фотонна интеграция, базирани на SI, и технологиите за фотонна интеграция, базирани на INP, стават все по-зрели след години на развитие в областта на оптичната комуникация и на пазара са пуснати много продукти. Въпреки това, при прилагането на микровълнови фотони, има някои проблеми при тези два вида технологии за фотонна интеграция: например, нелинейният електрооптичен коефициент на Si модулатора и InP модулатора противоречи на високата линейност и големите динамични характеристики, преследвани от микровълновата фотонна технология; Например, силициевият оптичен превключвател, който реализира превключване на оптичния път, независимо дали е базиран на термооптичен ефект, пиезоелектричен ефект или ефект на дисперсия на инжектиране на носители, има проблеми с бавната скорост на превключване, консумацията на енергия и консумацията на топлина, което не може да отговори на приложенията за бързо сканиране на лъча и широкомащабни микровълнови фотони.
Литиевият ниобат винаги е бил първият избор за висока скоростелектрооптична модулацияматериали поради отличния си линеен електрооптичен ефект. Традиционният литиев ниобат обачеелектрооптичен модулаторе изработен от масивен кристален материал от литиев ниобат, а размерът на устройството е много голям, което не може да отговори на нуждите на интегрираната микровълнова фотонна технология. Как да се интегрират литиево-ниобатни материали с линеен електрооптичен коефициент в интегрираната система на микровълнова фотонна технология се превърна в цел на съответните изследователи. През 2018 г. изследователски екип от Харвардския университет в САЩ за първи път съобщи в Nature за технологията за фотонна интеграция, базирана на тънкослоен литиев ниобат. Тъй като технологията има предимствата на висока интеграция, голяма електрооптична модулационна честотна лента и висока линейност на електрооптичния ефект, след като беше пусната в експлоатация, тя веднага привлече академичното и индустриалното внимание в областта на фотонната интеграция и микровълновата фотоника. От гледна точка на приложението на микровълновите фотони, тази статия разглежда влиянието и значението на технологията за фотонна интеграция, базирана на тънкослоен литиев ниобат, върху развитието на микровълновата фотонна технология.
Тънкослоен литиево-ниобатен материал и тънък филмлитиево-ниобатен модулатор
През последните две години се появи нов вид литиево-ниобатен материал, а именно филмът от литиево-ниобат се ексфолира от масивния кристал литиево-ниобат чрез метода на „йонно нарязване“ и се свързва със силициевата пластина със силициев буферен слой, за да се образува LNOI (LiNbO3-On-Insulator) материал [5], който в тази статия се нарича тънкослоен литиево-ниобатен материал. Гребенови вълноводи с височина над 100 нанометра могат да бъдат гравирани върху тънкослойни литиево-ниобатни материали чрез оптимизиран процес на сухо ецване, а ефективната разлика в коефициента на пречупване на образуваните вълноводи може да достигне повече от 0,8 (много по-висока от разликата в коефициента на пречупване на традиционните литиево-ниобатни вълноводи от 0,02), както е показано на Фигура 1. Силно ограниченият вълновод улеснява съгласуването на светлинното поле с микровълновото поле при проектирането на модулатора. По този начин е полезно да се постигне по-ниско полувълново напрежение и по-голяма модулационна честотна лента при по-къса дължина.
Появата на субмикронни вълноводи с ниски загуби на литиево-ниобат премахва пречката от високото задвижващо напрежение на традиционния електрооптичен модулатор с литиево-ниобат. Разстоянието между електродите може да бъде намалено до ~ 5 μm, а припокриването между електрическото поле и полето на оптичния режим е значително увеличено, а 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 с пътуваща вълна, както е показано на фигурата, модулаторът може да има способността за ултрависока модулационна честотна лента, по-голяма от 100 GHz.
Фиг. 1 (a) изчислено разпределение на модовете и (b) изображение на напречното сечение на LN вълновод
Фиг. 2 (a) Структура на вълновода и електрода и (b) основна плоча на LN модулатор
Сравнението на тънкослойни литиево-ниобатни модулатори с традиционни търговски литиево-ниобатни модулатори, силициеви модулатори и модулатори на базата на индиев фосфид (InP) и други съществуващи високоскоростни електрооптични модулатори, основните параметри на сравнението включват:
(1) Произведение на волтова дължина на половин вълна (vπ ·L, V·cm), измерващо ефективността на модулация на модулатора, като колкото по-малка е стойността, толкова по-висока е ефективността на модулация;
(2) 3 dB честотна лента за модулация (GHz), която измерва реакцията на модулатора към високочестотна модулация;
(3) Оптични загуби при вмъкване (dB) в областта на модулация. От таблицата може да се види, че тънкослойният литиево-ниобатен модулатор има очевидни предимства по отношение на честотната лента на модулация, полувълновото напрежение, оптичните загуби при интерполация и т.н.
Силицият, като крайъгълен камък на интегрираната оптоелектроника, е разработен досега, процесът е зрял, неговата миниатюризация е благоприятна за мащабна интеграция на активни/пасивни устройства, а неговият модулатор е широко и задълбочено изследван в областта на оптичната комуникация. Механизмът на електрооптична модулация на силиция е главно изчерпване на носителите, инжектиране на носители и натрупване на носители. Сред тях, честотната лента на модулатора е оптимална с механизма на линейно изчерпване на носителите по степен, но тъй като разпределението на оптичното поле се припокрива с неравномерността на областта на изчерпване, този ефект ще въведе нелинейни изкривявания от втори ред и интермодулационни изкривявания от трети ред, 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 квантова яма може да реализира модулатори с ултрависока скорост и ниско управляващо напрежение с Vπ·L до 0.156V · mm. Промяната на коефициента на пречупване с електрическото поле обаче включва линейни и нелинейни членове, а увеличаването на интензитета на електрическото поле ще направи ефекта от втори ред по-ясен. Следователно, силициевите и InP електрооптичните модулатори трябва да прилагат отклонение, за да образуват pn преход, когато работят, и pn преходът ще доведе до загуба на абсорбция. Размерът на тези два модулатора обаче е малък, като размерът на търговския InP модулатор е 1/4 от LN модулатора. Висока ефективност на модулация, подходяща за цифрови оптични преносни мрежи с висока плътност и къси разстояния, като например центрове за данни. Електрооптичният ефект на литиевия ниобат няма механизъм за абсорбция на светлина и ниски загуби, което е подходящо за кохерентни предавания на дълги разстояния.оптична комуникацияс голям капацитет и висока скорост. При приложение на микровълнови фотони, електрооптичните коефициенти на Si и InP са нелинейни, което не е подходящо за микровълнова фотонна система, която се стреми към висока линейност и голяма динамика. Литиево-ниобатният материал е много подходящ за приложение на микровълнови фотони поради напълно линейния си коефициент на електрооптична модулация.
Време на публикуване: 22 април 2024 г.