Tankoslojni litijum niobatni materijal i tankoslojni litijum niobatni modulator

Prednosti i značaj tankoslojnog litijum niobata u integrisanoj mikrotalasnoj fotonskoj tehnologiji

Mikrovalna fotonska tehnologijaima prednosti velikog radnog propusnog opsega, jake sposobnosti paralelne obrade i niskog gubitka prijenosa, što ima potencijal da razbije tehničko usko grlo tradicionalnog mikrovalnog sistema i poboljša performanse vojne elektronske informacione opreme kao što su radar, elektronsko ratovanje, komunikacija i mjerenje i kontrolu.Međutim, mikrotalasni fotonski sistem baziran na diskretnim uređajima ima neke probleme kao što su velika zapremina, velika težina i loša stabilnost, što ozbiljno ograničava primenu mikrotalasne fotonske tehnologije na svemirskim i vazdušnim platformama.Stoga, integrirana mikrovalna fotonska tehnologija postaje važna podrška za razbijanje primjene mikrovalnih fotona u vojnom elektronskom informacionom sistemu i davanje punog izražaja prednostima mikrotalasne fotonske tehnologije.

Trenutno, tehnologija fotonske integracije zasnovana na SI i tehnologija fotonske integracije zasnovane na INP postaju sve zrelije nakon godina razvoja u području optičkih komunikacija, a na tržište je stavljeno mnogo proizvoda.Međutim, za primjenu mikrovalnog 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 kojima se teži mikrovalnim fotonska tehnologija;Na primjer, silikonski optički prekidač koji ostvaruje optičku promenu putanje, bilo da se zasniva na termičko-optičkom efektu, piezoelektričnom efektu ili efektu disperzije ubrizgavanja nosača, ima probleme male brzine prebacivanja, potrošnje energije i potrošnje topline, što ne može zadovoljiti brze skeniranje zraka i aplikacije mikrovalnih fotona velikog niza.

Litijum niobat je oduvek bio prvi izbor za velike brzineelektrooptička modulacijamaterijala zbog svog odličnog linearnog elektro-optičkog efekta.Međutim, tradicionalni litijum niobatelektro-optički modulatorizrađen je od masivnog kristalnog materijala litij niobata, a veličina uređaja je vrlo velika, što ne može zadovoljiti potrebe integrirane mikrovalne fotonske tehnologije.Kako integrisati litijum niobatne materijale sa linearnim elektro-optičkim koeficijentom u integrisani sistem mikrotalasne fotonske tehnologije postao je cilj relevantnih istraživača.2018., istraživački tim sa Univerziteta Harvard u Sjedinjenim Državama prvi je prijavio tehnologiju fotonske integracije zasnovanu na tankom filmu litijum niobata u prirodi, jer tehnologija ima prednosti visoke integracije, velikog opsega elektro-optičke modulacije i visoke linearnosti elektrotehnike. -optički efekat, nakon lansiranja, odmah je izazvao akademsku i industrijsku pažnju u oblasti fotonske integracije i mikrotalasne fotonike.Iz perspektive primjene mikrovalnih fotona, u ovom radu se razmatra utjecaj i značaj tehnologije integracije fotona zasnovane na tankoslojnom litijum niobatu na razvoj mikrovalne fotonske tehnologije.

Tankofilni litijum niobatni materijal i tanki filmmodulator litijum niobata
U posljednje dvije godine pojavio se novi tip materijala litijum niobata, odnosno film litij niobata se odstranjuje od masivnog kristala litij niobata metodom “ionskog rezanja” i vezuje za Si wafer slojem silicijum-niobata za formiraju LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materijal [5], koji se u ovom radu naziva tankoslojni litijum niobatni materijal.Grebenasti talasovodi visine preko 100 nanometara mogu se urezati na tankoslojne litijum niobatne materijale optimizovanim procesom suvog jetkanja, a efektivna razlika indeksa prelamanja formiranih talasovoda može dostići više od 0,8 (daleko veća od razlike indeksa prelamanja tradicionalnih litijum niobatni talasovodi od 0,02), kao što je prikazano na slici 1. Snažno ograničeni talasovod olakšava usklađivanje svetlosnog polja sa mikrotalasnim poljem prilikom projektovanja modulatora.Stoga je korisno postići niži poluvalni napon i veći modulacijski propusni opseg na kraćoj dužini.

Pojava submikronskog talasovoda litijum niobata sa malim gubicima razbija usko grlo visokog pogonskog napona tradicionalnog litijum niobatnog elektro-optičkog modulatora.Razmak između elektroda može se smanjiti na ~ 5 μm, a preklapanje između električnog polja i polja optičkog moda je znatno povećano, 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 može se 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-visokog modulacionog opsega većeg od 100 GHz.

Slika 1 (a) izračunata distribucija modova i (b) slika poprečnog presjeka LN talasovoda

Slika 2 (a) Struktura talasovoda i elektrode i (b) jezgra LN modulatora

Poređenje tankoslojnih modulatora litij niobata sa tradicionalnim komercijalnim modulatorima litij niobata, modulatorima na bazi silicija i modulatorima indijum fosfida (InP) i drugim postojećim elektrooptičkim modulatorima velike brzine, glavni parametri poređenja uključuju:
(1) Polutalasni proizvod dužine volta (vπ ·L, V·cm), mjerenje efikasnosti modulacije modulatora, što je manja vrijednost, to je veća efikasnost modulacije;
(2) propusni opseg modulacije od 3 dB (GHz), koji mjeri odgovor modulatora na visokofrekventnu modulaciju;
(3) Optički insercijski gubitak (dB) u modulacionom području.Iz tabele se može videti da tankoslojni litijum niobatni modulator ima očigledne prednosti u modulacionom opsegu, polutalasnom naponu, gubitku optičke interpolacije i tako dalje.

Silicijum, kao kamen temeljac integrisane optoelektronike, do sada je razvijen, proces je zreo, njegova minijaturizacija pogoduje velikoj integraciji aktivnih/pasivnih uređaja, a njegov modulator je široko i duboko proučavan u oblasti optičkih uređaja. komunikacija.Mehanizam elektrooptičke modulacije silicijuma je uglavnom uklanjanje nosioca, ubrizgavanje nosioca i akumulacija nosača.Među njima, širina pojasa modulatora je optimalna sa mehanizmom smanjenja linearnog stepena nosioca, ali pošto se distribucija optičkog polja preklapa sa neujednačenošću područja iscrpljivanja, ovaj efekat će uvesti nelinearnu distorziju drugog reda i intermodulacionu distorziju trećeg reda. termina, zajedno sa efektom apsorpcije nosioca na svjetlost, što će dovesti do smanjenja amplitude optičke modulacije i izobličenja signala.

InP modulator ima izvanredne elektrooptičke efekte, a višeslojna struktura kvantnog bunara može realizovati modulatore ultra velike brzine i niskog pogonskog napona sa Vπ·L do 0,156V · mm.Međutim, varijacija indeksa prelamanja sa električnim poljem uključuje linearne i nelinearne članove, a povećanje intenziteta električnog polja učiniće efekat drugog reda istaknutim.Zbog toga, silicijumski i InP elektro-optički modulatori moraju primeniti pristrasnost da bi formirali pn spoj kada rade, a pn spoj će dovesti do gubitka apsorpcije.Međutim, veličina modulatora ova dva je mala, komercijalna veličina InP modulatora je 1/4 LN modulatora.Visoka efikasnost modulacije, pogodna za mreže digitalnog optičkog prenosa velike gustine i kratke udaljenosti kao što su centri podataka.Elektro-optički učinak litij niobata nema mehanizam apsorpcije svjetlosti i male gubitke, što je pogodno za koherentnu vezu na velikim udaljenostimaoptička komunikacijasa velikim kapacitetom i velikom brzinom.U primjeni mikrovalnih fotona, elektrooptički koeficijenti Si i InP su nelinearni, što nije prikladno za mikrovalni fotonski sistem koji teži visokoj linearnosti i velikoj dinamici.Materijal litij niobata je vrlo pogodan za primjenu mikrovalnih fotona zbog svog potpuno linearnog koeficijenta elektro-optičke modulacije.