Avantajele și semnificația filmelor subțiri de litiu niobat în tehnologia integrată a fotonului cu microunde
Tehnologia fotonului cu microundeAre avantajele lățimii de bandă de lucru mari, a unei abilități puternice de procesare paralelă și a pierderilor de transmisie scăzută, ceea ce are potențialul de a rupe blocajul tehnic al sistemului tradițional de microunde și de a îmbunătăți performanța echipamentelor de informații electronice militare, cum ar fi radar, război electronic, comunicare și măsurare și control. Cu toate acestea, sistemul de fotoni cu microunde bazat pe dispozitive discrete are unele probleme precum volumul mare, greutatea grea și stabilitatea slabă, care restricționează serios aplicarea tehnologiei cu microunde de fotoni pe platformele Spaceborne și Airborne. Prin urmare, tehnologia integrată de foton cu microunde devine un sprijin important pentru a rupe aplicarea fotonului cu microunde în sistemul de informații electronice militare și pentru a oferi joc complet avantajele tehnologiei 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 maturi după ani de dezvoltare în domeniul comunicării 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 fotonilor: de exemplu, coeficientul electro-optic neliniar al modulatorului SI și modulatorului INP este contrar liniarității ridicate și caracteristicilor dinamice mari, urmărite de tehnologia fotonului cu microunde; De exemplu, întrerupătorul optic de siliciu care realizează comutarea căii optice, indiferent dacă se bazează pe efect termic-optic, efect piezoelectric sau efect de dispersie a injecției purtătoare, are probleme de viteză de comutare lentă, consum de energie și consum de căldură, care nu pot întâmpina scanarea fasciculului rapid și aplicații de foton cu microunde la scară mare.
Niobatul de litiu a fost întotdeauna prima alegere pentru viteză mareModulație electro-opticăMateriale datorită efectului său electro-optic liniar excelent. Cu toate acestea, tradiționalul niobat de litiuModulator electro-opticeste confecționat din material masiv de cristal niobat de litiu, iar dimensiunea dispozitivului este foarte mare, ceea ce nu poate satisface nevoile tehnologiei integrate de foton cu microunde. Cum se integrează materialele niobate de litiu cu coeficientul electro-optic liniar în sistemul integrat de tehnologie de fotoni 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 subțire în niobat, deoarece tehnologia are avantajele unei integrări ridicate, a lățimii de bandă de modulare electro-optică mari și a linieirii ridicate a efectului electro-optic, odată lansat, a provocat imediat atenția academică și industrială în domeniul integrării fotonice și a fotonicilor microwave. Din perspectiva aplicației cu fotone cu microunde, această lucrare trece în revistă influența și semnificația tehnologiei de integrare a fotonilor bazată pe niobate de litiu cu film subțire asupra dezvoltării tehnologiei cu microunde.
Material subțire de litiu niobat și film subțireModulator niobat de litiu
În ultimii doi ani, a apărut un nou tip de material niobat de litiu, adică filmul de niobat de litiu este exfoliat din cristalul masiv de niobat de litiu prin metoda de „feliere ionică” și legată de wafer-ul Si cu un tampon de silice pentru a forma lnoi de litiu (litbo3-la-nesulator). Ghidurile de undă ale crestei cu o înălțime de peste 100 de nanometri pot fi gravate pe materiale niobat de litiu cu film subțire prin procesul optimizat de gravură uscată, iar diferența eficientă a indicelui de refracție a ghidurilor de undă formate poate ajunge mai mult de 0,8 (mult mai mare decât diferența de index de refracție a ghidului de undă de litiu tradițional de 0,02), așa cum se arată în figura 1. Câmp cu microunde la proiectarea modulatorului. Astfel, este benefic să se realizeze o tensiune mai mică a unui val și o lățime de bandă mai mare de modulare într-o lungime mai scurtă.
Aspectul ghidului de undă submicron cu pierdere scăzută cu pierderi scăzute de litiu submicron sparge blocajul tensiunii de conducere ridicate a modulatorului electro-optic tradițional de litiu niobat. Distanța electrodului poate fi redusă la ~ 5 μm, iar suprapunerea dintre câmpul electric și câmpul modului 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 cu jumătate de undă, lungimea dispozitivului poate fi redusă foarte mult în comparație cu modulatorul tradițional. În același timp, după optimizarea parametrilor lățimii, grosimea și intervalul electrodului de undă care călătorește, așa cum se arată în figură, modulatorul poate avea capacitatea de lățime de bandă de modulare 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） Ghidul de undă și structura electrodului și （B） Coreplarea modulatorului LN
Comparația modulatorilor de niobați de litiu cu film subțire cu modulatori comerciali tradiționali de litiu niobat, modulatori pe bază de siliciu și modulatori de fosfură de Indium (INP) și alte modulatoare electro-optice de mare viteză existente, principalii parametri ai comparației includ:
(1) Produs de lungime cu jumătate de undă (Vπ · L, V · cm), măsurând eficiența modulației modulatorului, cu cât valoarea este mai mică, cu atât este mai mare eficiența modulației;
(2) 3 Lățimea de bandă a modulației de 3 dB (GHz), care măsoară răspunsul modulatorului la modularea de înaltă frecvență;
(3) Pierderea de inserție optică (DB) în regiunea de modulare. Din tabel se poate observa că modulatorul niobat de litiu cu film subțire are avantaje evidente în lățimea de bandă a modulației, tensiunea cu jumătate de undă, pierderea de interpolare optică și așa mai departe.
Siliconul, ca piatra de temelie a optoelectronicii integrate, a fost dezvoltată până în prezent, procesul este matur, miniaturizarea sa este favorabilă integrării pe scară largă a dispozitivelor active/pasive, iar modulatorul său a fost studiat pe scară largă și profund în domeniul comunicării optice. Mecanismul de modulare electro-optică a siliconului este în principal depanarea 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 de câmp optic se suprapune cu non-uniformitatea regiunii de epuizare, acest efect va introduce distorsiunea neliniară de ordinul doi și termenii de distorsiune de intermodulare de ordinul al treilea, care va duce la reducția cu efect de absorbție a modulării și a semnalului.
Modulatorul INP are efecte electro-optice remarcabile, iar structura cuantică cu mai multe straturi poate realiza modulatoare de tensiune de conducere cu o viteză ultra-înaltă și scăzută cu Vπ · L până la 0,156V · 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 al doilea ordin să fie proeminent. Prin urmare, modulatorii electro-optici de siliciu și INP trebuie să aplice prejudecăți pentru a forma joncțiunea PN atunci când lucrează, iar joncțiunea PN va aduce la lumină pierderea de absorbție. Cu toate acestea, dimensiunea modulatorului acestor două este mică, dimensiunea comercială a modulatorului INP este 1/4 din modulatorul LN. Eficiență ridicată de modulare, potrivită pentru rețele de transmisie optică digitală de densitate ridicată și de distanță scurtă, cum ar fi centrele de date. Efectul electro-optic al niobatului de litiu nu are un mecanism de absorbție a luminii și pierderi scăzute, care este potrivit pentru coerentă la distanță lungăComunicare opticăcu o capacitate mare și o rată mare. În aplicarea fotonului cu microunde, coeficienții electro-optici ai SI și INP sunt neliniari, ceea ce nu este potrivit pentru sistemul de foton cu microunde care urmărește o liniaritate ridicată și dinamici mari. Materialul niobat de litiu este foarte potrivit pentru aplicarea fotonului cu microunde datorită coeficientului său de modulare electro-optic complet liniar.
Timpul post: 22-2024 aprilie