Avantajele și importanța niobatului de litiu în peliculă subțire în tehnologia integrată a fotonilor cu microunde
Tehnologia fotonilor cu microundeare avantajele unei lățimi de bandă mari de lucru, a unei capacități puternice de procesare paralelă și a pierderilor de transmisie reduse, ceea ce are potențialul de a elimina blocajele tehnice ale sistemelor tradiționale cu microunde și de a îmbunătăți performanța echipamentelor electronice de informare militară, cum ar fi radarul, războiul electronic, comunicațiile, măsurarea și controlul. Cu toate acestea, sistemul fotonic cu microunde bazat pe dispozitive discrete prezintă unele probleme, cum ar fi volumul mare, greutatea mare și stabilitatea slabă, care restricționează serios aplicarea tehnologiei fotonice cu microunde în platformele spațiale și aeriene. Prin urmare, tehnologia integrată a fotonicului cu microunde devine un suport important pentru a sparge aplicarea fotonicului cu microunde în sistemele electronice de informare militară și pentru a valorifica pe deplin avantajele tehnologiei fotonice 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 fotonilor cu microunde, există unele probleme în aceste două tipuri de tehnologii de integrare fotonică: de exemplu, coeficientul electro-optic neliniar al modulatorului Si și al modulatorului InP este contrar liniarității ridicate și caracteristicilor dinamice mari urmărite de tehnologia fotonilor cu microunde; De exemplu, comutatorul optic pe siliciu care realizează comutarea căii optice, fie că se bazează pe efectul termo-optic, efectul piezoelectric sau efectul de dispersie a injecției de purtător, are probleme legate de viteza lentă de comutare, consumul de energie și consumul de căldură, care nu pot satisface aplicațiile de scanare rapidă a fasciculului și de fotoni cu microunde la scară largă.
Niobatul de litiu a fost întotdeauna prima alegere pentru viteze marimodulație electro-opticămateriale datorită efectului său electro-optic liniar excelent. Cu toate acestea, niobatul de litiu tradiționalmodulator 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 cu 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 peliculă subțire de niobat de litiu în revista Nature, deoarece tehnologia are avantajele integrării ridicate, lățimii de bandă de modulație electro-optică mari și liniarității ridicate a efectului electro-optic. Odată lansată, a atras imediat atenția academică și industrială în domeniul integrării fotonice și al fotonicii cu microunde. Din perspectiva aplicațiilor fotonilor cu microunde, această lucrare analizează influența și semnificația tehnologiei de integrare fotonică bazată pe peliculă subțire de niobat de litiu asupra dezvoltării tehnologiei fotonilor cu microunde.
Material de niobat de litiu cu peliculă subțire și peliculă subțiremodulator de niobat de litiu
În ultimii doi ani, a apărut un nou tip de material de niobat de litiu, și anume, pelicula de niobat de litiu este exfoliată din cristalul masiv de niobat de litiu prin metoda „tăierii ionice” și lipită de placheta de Si cu un strat tampon de silice pentru a forma material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], care în această lucrare este denumit material de niobat de litiu cu peliculă subțire. Ghidurile de undă cu o înălțime mai mare de 100 de nanometri pot fi gravate pe materiale de niobat de litiu cu peliculă subțire printr-un proces optimizat de gravare uscată, iar diferența efectivă a indicelui de refracție al ghidurilor de undă formate poate ajunge la mai mult de 0,8 (mult mai mare decât diferența efectivă a indicelui de refracție a ghidurilor de undă tradiționale de niobat de litiu de 0,02), așa cum se arată în Figura 1. Ghidul de undă puternic restricționat facilitează potrivirea câmpului luminos cu câmpul de microunde la proiectarea modulatorului. Astfel, este benefic să se obțină o tensiune de jumătate de undă mai mică și o lățime de bandă de modulație mai mare într-o lungime mai scurtă.
Apariția ghidului de undă submicronică din niobat de litiu cu pierderi reduse elimină blocajul generat de tensiunea de acționare ridicată a modulatorului electro-optic tradițional din niobat de litiu. Distanța dintre electrozi poate fi redusă la ~ 5 μm, iar suprapunerea dintre câmpul electric și câmpul modului optic este crescută considerabil, iar vπ ·L scade de la mai mult de 20 V·cm la mai puțin de 2,8 V·cm. Prin urmare, la aceeași tensiune de jumătate de undă, lungimea dispozitivului poate fi redusă considerabil în comparație cu modulatorul tradițional. În același timp, după optimizarea parametrilor lățimii, grosimii și intervalului electrodului de undă călătoare, așa cum se arată în figură, modulatorul poate avea capacitatea de a avea o lățime de bandă de modulație ultra-înaltă, mai mare de 100 GHz.
Fig. 1 (a) distribuția modurilor calculată 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 cu peliculă subțire de niobat de litiu cu modulatorii comerciali tradiționali de niobat de litiu, modulatorii pe bază de siliciu și modulatorii de fosfură de indiu (InP) și alți modulatori electro-optici de mare viteză existenți, principalii parametri ai comparației includ:
(1) Produsul volt-lungime pe jumătate de undă (vπ ·L, V·cm), care măsoară eficiența de modulație a modulatorului, cu cât valoarea este mai mică, cu atât eficiența de modulație 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 cu peliculă subțire de niobat de litiu are avantaje evidente în ceea ce privește lățimea de bandă de modulație, tensiunea pe jumătate de undă, pierderea de interpolare optică și așa mai departe.
Siliciul, ca piatra de temelie a optoelectronicii integrate, a fost dezvoltat până în prezent, procesul este matur, miniaturizarea sa este propice integrării la scară largă a dispozitivelor active/pasive, iar modulatorul său a fost studiat pe larg și profund în domeniul comunicațiilor optice. Mecanismul de modulație electro-optică al siliciului constă în principal în epuizarea purtătorului, injecția purtătorului și acumularea de purtători. 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 termeni de distorsiune neliniară de ordinul doi și distorsiune de intermodulație de ordinul trei, cuplat cu efectul de absorbție al purtătorului asupra luminii, ceea ce va duce la reducerea amplitudinii modulației optice și a distorsiunii semnalului.
Modulatorul InP are efecte electro-optice remarcabile, iar structura cuantică multistrat poate realiza modulatoare cu rată ultra-înaltă și tensiune de acționare scăzută, cu Vπ·L de până la 0,156V · mm. Cu toate acestea, variația indicelui de refracție în funcție de câmpul electric include termeni liniari și neliniari, iar creșterea intensității câmpului electric va face ca efectul de ordinul doi să fie proeminent. Prin urmare, modulatoarele electro-optice pe siliciu și InP trebuie să aplice polarizare pentru a forma joncțiunea pn atunci când funcționează, iar joncțiunea pn va aduce pierderi de absorbție a luminii. Cu toate acestea, dimensiunea modulatorului acestor două este mică, dimensiunea modulatorului comercial InP fiind 1/4 din cea a modulatorului LN. Eficiență ridicată de modulație, potrivită pentru rețele 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 are pierderi reduse, fiind potrivit pentru transmisie coerentă pe distanțe lungi.comunicare opticăcu capacitate mare și rată ridicată. În aplicațiile fotonice cu microunde, coeficienții electro-optici ai Si și InP sunt neliniari, ceea ce nu este potrivit pentru sistemul fotonic cu microunde care urmărește o liniaritate ridicată și o dinamică mare. Materialul niobat de litiu este foarte potrivit pentru aplicațiile fotonice cu microunde datorită coeficientului său de modulație electro-optică complet liniar.
Data publicării: 22 aprilie 2024