Voordele en betekenis van dunfilm-litiumniobat in geïntegreerde mikrogolffotontegnologie
Mikrogolf-fotontegnologiehet die voordele van groot werkbandwydte, sterk parallelle verwerkingsvermoë en lae transmissieverlies, wat die potensiaal het om die tegniese bottelnek van tradisionele mikrogolfstelsels te breek en die werkverrigting van militêre elektroniese inligtingstoerusting soos radar, elektroniese oorlogvoering, kommunikasie en meting en beheer te verbeter. Die mikrogolffotonstelsel gebaseer op diskrete toestelle het egter 'n paar probleme soos groot volume, swaar gewig en swak stabiliteit, wat die toepassing van mikrogolffotontegnologie in ruimte- en lugplatforms ernstig beperk. Daarom word geïntegreerde mikrogolffotontegnologie 'n belangrike ondersteuning om die toepassing van mikrogolffoton in militêre elektroniese inligtingstelsels te breek en die voordele van mikrogolffotontegnologie ten volle te benut.
Tans het SI-gebaseerde fotoniese integrasietegnologie en INP-gebaseerde fotoniese integrasietegnologie al hoe meer volwasse geword na jare se ontwikkeling op die gebied van optiese kommunikasie, en baie produkte is op die mark geplaas. Vir die toepassing van mikrogolffoton is daar egter 'n paar probleme in hierdie twee soorte fotonintegrasietegnologieë: byvoorbeeld, die nie-lineêre elektro-optiese koëffisiënt van Si-modulator en InP-modulator is teenstrydig met die hoë lineariteit en groot dinamiese eienskappe wat deur mikrogolffotontegnologie nagestreef word; Byvoorbeeld, die silikon optiese skakelaar wat optiese padskakeling realiseer, of dit nou gebaseer is op termies-optiese effek, piezo-elektriese effek of draer-inspuiting-dispersie-effek, het die probleme van stadige skakelspoed, kragverbruik en hitteverbruik, wat nie aan die vinnige straalskandering en grootskaalse mikrogolffoton-toepassings kan voldoen nie.
Litiumniobat was nog altyd die eerste keuse vir hoëspoedelektro-optiese modulasiemateriale as gevolg van sy uitstekende lineêre elektro-optiese effek. Die tradisionele litiumniobateelektro-optiese modulatoris gemaak van massiewe litiumniobatkristalmateriaal, en die toestel se grootte is baie groot, wat nie aan die behoeftes van geïntegreerde mikrogolffotontegnologie kan voldoen nie. Hoe om litiumniobatmateriale met lineêre elektro-optiese koëffisiënt in die geïntegreerde mikrogolffotontegnologiestelsel te integreer, het die doelwit van relevante navorsers geword. In 2018 het 'n navorsingspan van Harvard Universiteit in die Verenigde State die eerste keer die fotoniese integrasietegnologie gebaseer op dunfilm-litiumniobat in Nature gerapporteer. Omdat die tegnologie die voordele van hoë integrasie, groot elektro-optiese modulasiebandwydte en hoë lineariteit van die elektro-optiese effek het, het dit sodra dit bekendgestel is, onmiddellik die akademiese en industriële aandag op die gebied van fotoniese integrasie en mikrogolffotonika gewek. Vanuit die perspektief van mikrogolffotontoepassing, hersien hierdie artikel die invloed en betekenis van fotonintegrasietegnologie gebaseer op dunfilm-litiumniobat op die ontwikkeling van mikrogolffotontegnologie.
Dunfilm litiumniobatmateriaal en dunfilmlitium niobaat modulator
In die afgelope twee jaar het 'n nuwe tipe litiumniobatmateriaal na vore gekom, dit wil sê, die litiumniobatfilm word van die massiewe litiumniobatkristal afgeskilfer deur die metode van "ioonsnitte" en met 'n silikabufferlaag aan die Si-wafel gebind om LNOI (LiNbO3-Op-Isolator) materiaal [5] te vorm, wat in hierdie artikel dunfilm-litiumniobatmateriaal genoem word. Rifgolfgidse met 'n hoogte van meer as 100 nanometer kan op dunfilm-litiumniobatmateriale geëts word deur 'n geoptimaliseerde droë-etsproses, en die effektiewe brekingsindeksverskil van die gevormde golfgidse kan meer as 0.8 bereik (veel hoër as die brekingsindeksverskil van tradisionele litiumniobatgolfgidse van 0.02), soos getoon in Figuur 1. Die sterk beperkte golfgids maak dit makliker om die ligveld met die mikrogolfveld te pas wanneer die modulator ontwerp word. Dit is dus voordelig om 'n laer halfgolfspanning en groter modulasiebandwydte in 'n korter lengte te bereik.
Die verskyning van die lae-verlies litium niobaat submikron golfgeleier breek die bottelnek van die hoë dryfspanning van die tradisionele litium niobaat elektro-optiese modulator. Die elektrode-afstand kan verminder word tot ~ 5 μm, en die oorvleueling tussen die elektriese veld en die optiese modusveld word aansienlik verhoog, en die vπ ·L neem af van meer as 20 V·cm tot minder as 2.8 V·cm. Daarom, onder dieselfde halfgolfspanning, kan die lengte van die toestel aansienlik verminder word in vergelyking met die tradisionele modulator. Terselfdertyd, na die optimalisering van die parameters van die breedte, dikte en interval van die bewegende golfelektrode, soos in die figuur getoon, kan die modulator die vermoë hê van ultra-hoë modulasiebandwydte groter as 100 GHz.
Fig. 1 (a) berekende modusverspreiding en (b) beeld van die dwarssnit van LN-golfleier
Fig.2 (a) Golfgeleier- en elektrodestruktuur en (b) kernplaat van LN-modulator
Die vergelyking van dunfilm-litiumniobatmodulators met tradisionele litiumniobat-kommersiële modulators, silikon-gebaseerde modulators en indiumfosfied (InP)-modulators en ander bestaande hoëspoed-elektro-optiese modulators, die hoofparameters van die vergelyking sluit in:
(1) Halfgolf volt-lengte produk (vπ ·L, V·cm), wat die modulasie-effektiwiteit van die modulator meet, hoe kleiner die waarde, hoe hoër die modulasie-effektiwiteit;
(2) 3 dB modulasiebandwydte (GHz), wat die reaksie van die modulator op hoëfrekwensiemodulasie meet;
(3) Optiese invoegverlies (dB) in die modulasiegebied. Dit kan uit die tabel gesien word dat die dunfilm-litiumniobatmodulator duidelike voordele het in modulasiebandwydte, halfgolfspanning, optiese interpolasieverlies, ensovoorts.
Silikon, as die hoeksteen van geïntegreerde opto-elektronika, is tot dusver ontwikkel, die proses is volwasse, die miniaturisering daarvan bevorderlik is vir die grootskaalse integrasie van aktiewe/passiewe toestelle, en die modulator daarvan is wyd en diep bestudeer op die gebied van optiese kommunikasie. Die elektro-optiese modulasiemeganisme van silikon is hoofsaaklik draeruitputting, draerinspuiting en draerakkumulasie. Onder hulle is die bandwydte van die modulator optimaal met die lineêre graaddraeruitputtingsmeganisme, maar omdat die optiese veldverspreiding oorvleuel met die nie-uniformiteit van die uitputtingsgebied, sal hierdie effek nie-lineêre tweede-orde vervorming en derde-orde intermodulasievervormingsterme inbring, tesame met die absorpsie-effek van die draer op die lig, wat sal lei tot die vermindering van die optiese modulasie-amplitude en seinvervorming.
Die InP-modulator het uitstekende elektro-optiese effekte, en die meerlaag-kwantumputstruktuur kan ultra-hoë tempo en lae dryfspanningsmodulators met Vπ·L tot 0.156V·mm realiseer. Die variasie van die brekingsindeks met die elektriese veld sluit egter lineêre en nie-lineêre terme in, en die toename in die intensiteit van die elektriese veld sal die tweede-orde-effek prominent maak. Daarom moet silikon- en InP-elektro-optiese modulators voorspanning toepas om 'n pn-voeg te vorm wanneer hulle werk, en die pn-voeg sal absorpsieverlies aan lig veroorsaak. Die modulatorgrootte van hierdie twee is egter klein, die kommersiële InP-modulatorgrootte is 1/4 van die LN-modulator. Hoë modulasiedoeltreffendheid, geskik vir hoëdigtheid- en kortafstand-digitale optiese transmissienetwerke soos datasentrums. Die elektro-optiese effek van litiumniobat het geen ligabsorpsiemeganisme en lae verlies nie, wat geskik is vir langafstand-koherente.optiese kommunikasiemet groot kapasiteit en hoë tempo. In die mikrogolffotontoepassing is die elektro-optiese koëffisiënte van Si en InP nie-lineêr, wat nie geskik is vir die mikrogolffotonstelsel wat hoë lineariteit en groot dinamika nastreef nie. Die litiumniobatmateriaal is baie geskik vir mikrogolffotontoepassing as gevolg van sy volledig lineêre elektro-optiese modulasiekoëffisiënt.
Plasingstyd: 22 Apr-2024