Avantajele și semnificația niobatului de litiu cu peliculă subțire în tehnologia integrată de fotoni cu microunde
Tehnologia fotonilor cu microundeare avantajele unei lățimi de bandă de lucru mari, capacități puternice de procesare paralelă și pierderi reduse de transmisie, care are potențialul de a sparge blocajul tehnic al sistemului tradițional de microunde și de a îmbunătăți performanța echipamentelor electronice militare de informare, cum ar fi radarul, războiul electronic, comunicarea și măsurarea și controla. Cu toate acestea, sistemul de fotoni cu microunde bazat pe dispozitive discrete are unele probleme precum volum mare, greutate mare și stabilitate slabă, care limitează serios aplicarea tehnologiei fotonilor cu microunde în platformele spațiale și aeriene. Prin urmare, tehnologia integrată a fotonului cu microunde devine un suport important pentru a întrerupe aplicarea fotonului cu microunde în sistemul informatic electronic militar și pentru a juca pe deplin avantajele tehnologiei fotonului cu microunde.
În prezent, tehnologia de integrare fotonică bazată pe SI și tehnologia de integrare fotonică bazată pe INP au devenit din ce în ce mai mature după ani de dezvoltare în domeniul comunicațiilor optice, iar o mulțime de produse au fost introduse pe piață. Cu toate acestea, pentru aplicarea fotonului cu microunde, există unele probleme în aceste două tipuri de tehnologii de integrare a fotonului: de exemplu, coeficientul electro-optic neliniar al modulatorului Si și al modulatorului InP este contrar liniarității ridicate și caracteristicilor dinamice mari urmărite de microunde. tehnologia fotonilor; De exemplu, comutatorul optic de siliciu care realizează comutarea căii optice, indiferent dacă se bazează pe efectul termic-optic, pe efectul piezoelectric sau pe efectul de dispersie prin injecție de purtător, are probleme legate de viteza de comutare lentă, consumul de energie și consumul de căldură, care nu poate îndeplini viteza rapidă. scanare cu fascicul și aplicații de fotoni cu microunde la scară largă.
Niobatul de litiu a fost întotdeauna prima alegere pentru viteza maremodulația electro-opticămateriale datorită efectului său electro-optic liniar excelent. Cu toate acestea, tradiționalul niobat de litiumodulator electro-opticeste fabricat din material cristalin masiv de niobat de litiu, iar dimensiunea dispozitivului este foarte mare, ceea ce nu poate satisface nevoile tehnologiei integrate de fotoni cu microunde. Modul de integrare a materialelor de niobat de litiu cu coeficient electro-optic liniar în sistemul integrat de tehnologie fotonică cu microunde a devenit obiectivul cercetătorilor relevanți. În 2018, o echipă de cercetare de la Universitatea Harvard din Statele Unite a raportat pentru prima dată tehnologia de integrare fotonică bazată pe niobat de litiu cu peliculă subțire în natură, deoarece tehnologia are avantajele unei integrări ridicate, lățimi de bandă mari de modulare electro-optică și liniaritate ridicată a electro-ului. -efect optic, odată lansat, a provocat imediat atenția academică și industrială în domeniul integrării fotonice și al fotonicii cu microunde. Din perspectiva aplicării fotonilor cu microunde, această lucrare trece în revistă influența și semnificația tehnologiei de integrare a fotonilor bazată pe niobat de litiu cu peliculă subțire asupra dezvoltării tehnologiei fotonilor cu microunde.
Material de niobat de litiu cu peliculă subțire și film subțiremodulator de niobat de litiu
În ultimii doi ani, a apărut un nou tip de material de niobat de litiu, adică filmul de niobat de litiu este exfoliat din cristalul masiv de niobat de litiu prin metoda „tăierea ionilor” și lipit de napolitana Si cu un strat tampon de silice la formează materialul LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], care se numește material niobat de litiu cu peliculă subțire în această lucrare. Ghidurile de undă de creastă cu o înălțime de peste 100 de nanometri pot fi gravate pe materiale cu niobat de litiu cu peliculă subțire prin proces optimizat de gravare uscată, iar diferența efectivă a indicelui de refracție a ghidurilor de undă formate poate ajunge la mai mult de 0,8 (mult mai mare decât diferența de indice de refracție tradițională). ghiduri de undă de niobat de litiu de 0,02), așa cum se arată în Figura 1. Ghidul de undă puternic restricționat face mai ușoară potrivirea câmpului luminos cu câmpul de microunde la proiectarea modulatorului. Astfel, este benefic să se obțină o tensiune mai mică de jumătate de undă și o lățime de bandă de modulație mai mare pe o lungime mai scurtă.
Apariția ghidului de undă submicron cu niobat de litiu cu pierderi reduse rupe gâtul de strângere a tensiunii de conducere înalte a modulatorului electro-optic tradițional cu niobat de litiu. Distanța dintre electrozi poate fi redusă la ~ 5 μm, iar suprapunerea dintre câmpul electric și câmpul în modul optic este mult crescută, iar vπ·L scade de la mai mult de 20 V·cm la mai puțin de 2,8 V·cm. Prin urmare, sub aceeași tensiune de jumătate de undă, lungimea dispozitivului poate fi mult redusă în comparație cu modulatorul tradițional. În același timp, după optimizarea parametrilor lățimii, grosimii și intervalului electrodului undei de călătorie, așa cum se arată în figură, modulatorul poate avea capacitatea de lățime de bandă de modulație ultra-înaltă mai mare de 100 GHz.
Fig.1 （a） distribuția modului calculat și (b) imaginea secțiunii transversale a ghidului de undă LN
Fig.2 （a） Structura ghidului de undă și a electrodului și (b) placa centrală a modulatorului LN
Compararea modulatorilor de niobat de litiu cu film subțire cu modulatorii comerciali tradiționali de niobat de litiu, modulatorii pe bază de siliciu și modulatorii cu fosfură de indiu (InP) și alți modulatori electro-optici de mare viteză existenți, principalii parametri ai comparației includ:
(1) Produs volt-lungime cu jumătate de undă (vπ ·L, V·cm), care măsoară eficiența de modulare a modulatorului, cu cât valoarea este mai mică, cu atât eficiența modulației este mai mare;
(2) lățime de bandă de modulație de 3 dB (GHz), care măsoară răspunsul modulatorului la modulația de înaltă frecvență;
(3) Pierderea de inserție optică (dB) în regiunea de modulație. Din tabel se poate observa că modulatorul de niobat de litiu cu peliculă subțire are avantaje evidente în lățimea de bandă de modulare, tensiunea de jumătate de undă, pierderea prin interpolare optică și așa mai departe.
Siliciul, ca piatră de temelie a optoelectronicii integrate, a fost dezvoltat până acum, procesul este matur, miniaturizarea acestuia este favorabilă integrării la scară largă a dispozitivelor active/pasive, iar modulatorul său a fost studiat pe scară largă și profund în domeniul optice. comunicare. Mecanismul de modulare electro-optică al siliciului este în principal reducerea purtătorului, injecția purtătorului și acumularea purtătorului. Printre acestea, lățimea de bandă a modulatorului este optimă cu mecanismul de epuizare a purtătorului de grad liniar, dar deoarece distribuția câmpului optic se suprapune cu neuniformitatea regiunii de epuizare, acest efect va introduce distorsiuni neliniare de ordinul doi și distorsiuni de intermodulație de ordinul trei. termeni, cuplat cu efectul de absorbție al purtătorului asupra luminii, care va duce la reducerea amplitudinii modulației optice și a distorsiunii semnalului.
Modulatorul InP are efecte electro-optice remarcabile, iar structura cuantică cu mai multe straturi poate realiza modulatoare de tensiune ultra-înaltă și de conducere joasă cu Vπ·L până la 0,156 V · mm. Cu toate acestea, variația indicelui de refracție cu câmpul electric include termeni liniari și neliniari, iar creșterea intensității câmpului electric va face ca efectul de ordinul doi să fie proeminent. Prin urmare, modulatorii electro-optici de siliciu și InP trebuie să aplice polarizare pentru a forma joncțiunea pn atunci când funcționează, iar joncțiunea pn va aduce la lumină pierderea de absorbție. Cu toate acestea, dimensiunea modulatorului acestor două este mică, dimensiunea modulatorului InP comercial este 1/4 din modulatorul LN. Eficiență ridicată de modulare, potrivită pentru rețelele de transmisie optică digitală de mare densitate și distanțe scurte, cum ar fi centrele de date. Efectul electro-optic al niobatului de litiu nu are mecanism de absorbție a luminii și pierderi reduse, care este potrivit pentru coerenți la distanțe lungi.comunicare opticăcu capacitate mare și rata mare. În aplicația de fotoni cu microunde, coeficienții electro-optici ai Si și InP sunt neliniari, ceea ce nu este potrivit pentru sistemul de fotoni cu microunde care urmărește o liniaritate ridicată și o dinamică mare. Materialul niobat de litiu este foarte potrivit pentru aplicarea fotonilor cu microunde datorită coeficientului său de modulație electro-optică complet liniar.
Ora postării: Apr-22-2024