Prednosti i značaj tankog filma litijum niobata u integriranoj mikrotalasnoj fotonskoj tehnologiji
Mikrovalna fotonska tehnologijaIma prednosti velikog radnog propusnog opsega, snažne paralelne obrade i niskog gubitka pri prijenosu, što ima potencijal da razbije tehničko usko grlo tradicionalnih mikrovalnih sistema i poboljša performanse vojne elektronske informacione opreme kao što su radar, elektronsko ratovanje, komunikacija i mjerenje i kontrola. Međutim, mikrovalni fotonski sistem zasnovan na diskretnim uređajima ima neke probleme kao što su veliki volumen, teška težina i slaba stabilnost, što ozbiljno ograničava primjenu tehnologije mikrovalnih fotona u svemirskim i vazdušnim platformama. Stoga, integrirana tehnologija mikrovalnih fotona postaje važna podrška za razbijanje primjene mikrovalnih fotona u vojnom elektronskom informacionom sistemu i davanje punog prostora prednostima tehnologije mikrovalnih fotona.
Trenutno, tehnologija fotonske integracije zasnovana na SI i tehnologija fotonske integracije zasnovana na INP postale su sve zrelije nakon godina razvoja u oblasti optičke komunikacije, a na tržište je plasirano mnogo proizvoda. Međutim, za primjenu mikrotalasnog fotona postoje neki problemi u ove dvije vrste tehnologija integracije fotona: na primjer, nelinearni elektrooptički koeficijent Si modulatora i InP modulatora je u suprotnosti s visokom linearnošću i velikim dinamičkim karakteristikama koje teži tehnologija mikrotalasnog fotona; Na primjer, silicijumski optički prekidač koji ostvaruje prebacivanje optičkog puta, bilo da se zasniva na termo-optičkom efektu, piezoelektričnom efektu ili efektu disperzije injekcije nosioca, ima probleme spore brzine prebacivanja, potrošnje energije i potrošnje toplote, što ne može zadovoljiti primjene mikrotalasnog fotona sa brzim skeniranjem snopa i velikim nizovima.
Litijum niobat je oduvijek bio prvi izbor za velike brzineelektrooptička modulacijamaterijali zbog svog odličnog linearnog elektrooptičkog efekta. Međutim, tradicionalni litijum niobatelektrooptički modulatorNapravljen je od masivnog kristalnog materijala litijum niobata, a veličina uređaja je vrlo velika, što ne može zadovoljiti potrebe integrirane mikrovalne fotonske tehnologije. Kako integrirati litijum niobatne materijale s linearnim elektrooptičkim koeficijentom u integrirani sistem mikrovalne fotonske tehnologije postao je cilj relevantnih istraživača. 2018. godine, istraživački tim sa Univerziteta Harvard u Sjedinjenim Državama prvi je put u Natureu izvijestio o tehnologiji fotonske integracije zasnovanoj na tankom filmu litijum niobata, budući da tehnologija ima prednosti visoke integracije, velikog propusnog opsega elektrooptičke modulacije i visoke linearnosti elektrooptičkog efekta, nakon lansiranja, odmah je izazvala akademsku i industrijsku pažnju u području fotonske integracije i mikrovalne fotonike. Iz perspektive primjene mikrovalnog fotona, ovaj rad razmatra utjecaj i značaj tehnologije integracije fotona zasnovane na tankom filmu litijum niobata na razvoj mikrovalne fotonske tehnologije.
Tankoslojni litijum-niobatni materijal i tanki filmmodulator litijum niobata
U posljednje dvije godine pojavio se novi tip litijum niobatnog materijala, odnosno film litijum niobata koji se odvaja od masivnog kristala litijum niobata metodom "jonskog rezanja" i veže za Si pločicu slojem silicijum dioksida kako bi se formirao LNOI (LiNbO3-Na-Izolatoru) materijal [5], koji se u ovom radu naziva tankoslojni litijum niobatni materijal. Grebenski talasovodi visine veće od 100 nanometara mogu se nagrizati na tankoslojnim litijum niobatnim materijalima optimizovanim procesom suvog nagrizanja, a efektivna razlika indeksa prelamanja formiranih talasovoda može doseći više od 0,8 (mnogo više od razlike indeksa prelamanja tradicionalnih litijum niobatnih talasovoda od 0,02), kao što je prikazano na slici 1. Snažno ograničen talasovod olakšava usklađivanje svjetlosnog polja sa mikrotalasnim poljem prilikom projektovanja modulatora. Stoga je korisno postići niži polutalasni napon i veći modulacioni opseg u kraćoj dužini.
Pojava submikronskog talasovoda od litijum niobata sa malim gubicima uklanja usko grlo visokog pogonskog napona tradicionalnog elektrooptičkog modulatora od litijum niobata. Razmak između elektroda može se smanjiti na ~ 5 μm, a preklapanje između električnog polja i polja optičkog moda se znatno povećava, a vπ ·L se smanjuje sa više od 20 V·cm na manje od 2,8 V·cm. Stoga, pod istim polutalasnim naponom, dužina uređaja se može znatno smanjiti u poređenju sa tradicionalnim modulatorom. Istovremeno, nakon optimizacije parametara širine, debljine i intervala elektrode putujućeg talasa, kao što je prikazano na slici, modulator može imati sposobnost ultra visoke modulacijske propusnosti veće od 100 GHz.
Sl. 1 (a) izračunata raspodjela modova i (b) slika poprečnog presjeka LN talasovoda
Sl. 2 (a) Struktura talasovoda i elektrode i (b) jezgrena ploča LN modulatora
Poređenje tankoslojnih litijum niobatnih modulatora sa tradicionalnim komercijalnim litijum niobatnim modulatorima, modulatorima na bazi silicija i modulatorima indijum fosfida (InP) i drugim postojećim brzim elektrooptičkim modulatorima, glavni parametri poređenja uključuju:
(1) Proizvod polutalasne voltne dužine (vπ ·L, V·cm), kojim se mjeri efikasnost modulacije modulatora, pri čemu je manja vrijednost veća efikasnost modulacije;
(2) 3 dB širina modulacije (GHz), koja mjeri odziv modulatora na visokofrekventnu modulaciju;
(3) Optički uneseni gubitak (dB) u području modulacije. Iz tabele se može vidjeti da tankoslojni litijum-niobatni modulator ima očigledne prednosti u pogledu propusnog opsega modulacije, napona polutalasa, gubitka optičke interpolacije i tako dalje.
Silicij, kao temelj integrirane optoelektronike, do sada je razvijen, proces je zreo, njegova miniaturizacija pogoduje integraciji aktivnih/pasivnih uređaja velikih razmjera, a njegov modulator je široko i duboko proučavan u području optičke komunikacije. Mehanizam elektrooptičke modulacije silicija uglavnom je smanjenje nosioca, ubrizgavanje nosioca i akumulacija nosioca. Među njima, propusni opseg modulatora je optimalan s mehanizmom linearnog stepena smanjenja nosioca, ali budući da se raspodjela optičkog polja preklapa s neujednačenošću područja smanjenja, ovaj efekat će uvesti nelinearne distorzije drugog reda i intermodulacijske distorzije trećeg reda, povezane s efektom apsorpcije nosioca na svjetlost, što će dovesti do smanjenja amplitude optičke modulacije i distorzije signala.
InP modulator ima izvanredne elektrooptičke efekte, a višeslojna struktura kvantnih jama može realizovati modulatore ultra visoke brzine i niskog napona pogona sa Vπ·L do 0,156V · mm. Međutim, varijacija indeksa prelamanja sa električnim poljem uključuje linearne i nelinearne članove, a povećanje intenziteta električnog polja će učiniti efekat drugog reda istaknutim. Stoga, silicijumski i InP elektrooptički modulatori moraju primijeniti prednapon da bi formirali pn spoj kada rade, a pn spoj će dovesti do gubitka apsorpcije. Međutim, veličina modulatora ova dva je mala, komercijalni InP modulator je 1/4 veličine LN modulatora. Visoka efikasnost modulacije, pogodna za digitalne optičke prenosne mreže visoke gustine i kratkih udaljenosti kao što su podatkovni centri. Elektrooptički efekat litijum niobata nema mehanizam apsorpcije svjetlosti i ima male gubitke, što je pogodno za koherentne prenose na velike udaljenosti.optička komunikacijasa velikim kapacitetom i velikom brzinom. U primjeni mikrovalnih fotona, elektrooptički koeficijenti Si i InP su nelinearni, što nije pogodno za mikrovalni fotonski sistem koji teži visokoj linearnosti i velikoj dinamici. Materijal litijum niobat je veoma pogodan za primjenu mikrovalnih fotona zbog svog potpuno linearnog koeficijenta elektrooptičke modulacije.
Vrijeme objave: 22. april 2024.