Voordele en betekenis van dun film litium niobaat in geïntegreerde mikrogolf foton tegnologie
Mikrogolf foton tegnologiehet die voordele van groot werksbandwydte, 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 inligtingtoerusting soos radar, elektroniese oorlogvoering, kommunikasie en meting te verbeter. beheer. Die mikrogolffotonstelsel wat op diskrete toestelle gebaseer is, 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 speel.
Tans het SI-gebaseerde fotoniese integrasietegnologie en INP-gebaseerde fotoniese integrasietegnologie meer en meer volwasse geword ná jare se ontwikkeling op die gebied van optiese kommunikasie, en baie produkte is in die mark gebring. 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 mikrogolf nagestreef word. foton tegnologie; Byvoorbeeld, die silikon-optiese skakelaar wat optiese padskakeling realiseer, hetsy gebaseer op termiese-optiese effek, piëzo-elektriese effek, of draer-inspuitingsverspreidings-effek, het die probleme van stadige skakelspoed, kragverbruik en hitteverbruik, wat nie aan die vinnige kan voldoen nie. straalskandering en groot verskeidenheid mikrogolffotontoepassings.
Litium niobaat was nog altyd die eerste keuse vir hoë spoedelektro-optiese modulasiemateriale as gevolg van sy uitstekende lineêre elektro-optiese effek. Maar die tradisionele litium niobaatelektro-optiese modulatoris gemaak van massiewe litium niobaat kristal materiaal, en die toestel grootte is baie groot, wat nie kan voldoen aan die behoeftes van geïntegreerde mikrogolf foton tegnologie. Hoe om litiumniobaatmateriale met lineêre elektro-optiese koëffisiënt in die geïntegreerde mikrogolffotontegnologiestelsel te integreer, het die doelwit van relevante navorsers geword. In 2018 het 'n navorsingspan van die Harvard-universiteit in die Verenigde State die eerste keer die fotoniese integrasietegnologie wat op dunfilmlitiumniobaat gebaseer is in die natuur gerapporteer, omdat die tegnologie die voordele van hoë integrasie, groot elektro-optiese modulasiebandwydte en hoë lineariteit van elektro het. -optiese effek, sodra dit van stapel gestuur is, het dit onmiddellik die akademiese en industriële aandag op die gebied van fotoniese integrasie en mikrogolffotonika veroorsaak. Vanuit die perspektief van mikrogolffotontoepassing, bespreek hierdie artikel die invloed en betekenis van fotonintegrasietegnologie gebaseer op dunfilmlitiumniobaat op die ontwikkeling van mikrogolffotontegnologie.
Dun film litium niobaat materiaal en dun filmlitium niobaat modulator
In die afgelope twee jaar het 'n nuwe tipe litiumniobaatmateriaal na vore gekom, dit wil sê, die litiumniobaatfilm word van die massiewe litiumniobaatkristal afgeskilfer deur die metode van "ioonsny" en gebind aan die Si-wafel met 'n silikabufferlaag om vorm LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiaal [5], wat in hierdie vraestel dunfilmlitiumniobaatmateriaal genoem word. Rifgolfleiers met 'n hoogte van meer as 100 nanometer kan op dunfilmlitiumniobaat-materiale geëts word deur geoptimaliseerde droë-etsproses, en die effektiewe brekingsindeksverskil van die gevormde golfleiers kan meer as 0,8 bereik (baie hoër as die brekingsindeksverskil van tradisionele litium niobaat golfleiers van 0.02), soos getoon in Figuur 1. Die sterk beperkte golfleier maak dit makliker om die ligveld met die mikrogolfveld te pas wanneer die modulator ontwerp word. Dit is dus voordelig om laer halfgolfspanning en groter modulasiebandwydte in 'n korter lengte te bereik.
Die voorkoms van lae verlies litium niobaat submikron golfleier breek die bottelnek van hoë dryfspanning van tradisionele litium niobaat elektro-optiese modulator. Die elektrodespasiëring kan tot ~ 5 μm verminder word, en die oorvleueling tussen die elektriese veld en die optiese modusveld word aansienlik vergroot, en die vπ ·L verminder 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 ultrahoë modulasiebandwydte groter as 100 GHz.
Fig.1 （a） berekende modusverspreiding en （b） beeld van die deursnee van LN-golfleier
Fig.2 （a） Golfleier en elektrodestruktuur en （b） kernplaat van LN-modulator
Die vergelyking van dun film litium niobaat modulators met tradisionele litium niobaat kommersiële modulators, silikon-gebaseerde modulators en indium fosfied (InP) modulators en ander bestaande hoë-spoed elektro-optiese modulators, die belangrikste parameters van die vergelyking sluit in:
(1) Halfgolf volt-lengte produk (vπ ·L, V·cm), wat die modulasiedoeltreffendheid van die modulator meet, hoe kleiner die waarde, hoe hoër is die modulasiedoeltreffendheid;
(2) 3 dB modulasiebandwydte (GHz), wat die reaksie van die modulator op hoëfrekwensiemodulasie meet;
(3) Optiese invoegingsverlies (dB) in die modulasiegebied. Dit kan uit die tabel gesien word dat dun film litium niobaat modulator ooglopende voordele in modulasie bandwydte, halfgolf spanning, optiese interpolasie verlies en so aan het.
Silikon, as die hoeksteen van geïntegreerde opto-elektronika, is tot dusver ontwikkel, die proses is volwasse, die miniaturisering daarvan is bevorderlik vir die grootskaalse integrasie van aktiewe/passiewe toestelle, en die modulator daarvan is wyd en diep bestudeer in die veld 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 graad draer uitputting meganisme, maar omdat die optiese veld verspreiding oorvleuel met die nie-uniformiteit van die uitput streek, sal hierdie effek nie-lineêre tweede-orde vervorming en derde-orde intermodulasie vervorming instel terme, 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 uitstaande elektro-optiese effekte, en die meerlaagse kwantumputstruktuur kan ultrahoë snelheid en lae dryfspanningsmodulators met Vπ·L tot 0.156V · mm realiseer. Die variasie van brekingsindeks met elektriese veld sluit egter lineêre en nie-lineêre terme in, en die toename in elektriese veldintensiteit sal die tweede-orde effek prominent maak. Daarom moet silikon- en InP-elektro-optiese modulators vooroordeel toepas om pn-aansluiting te vorm wanneer hulle werk, en pn-aansluiting sal absorpsieverlies aan die lig bring. Die modulatorgrootte van hierdie twee is egter klein, die kommersiële InP-modulatorgrootte is 1/4 van die LN-modulator. Hoë modulasie doeltreffendheid, geskik vir hoë digtheid en kort afstand digitale optiese transmissie netwerke soos datasentrums. Die elektro-optiese effek van litium niobaat het geen ligabsorpsiemeganisme nie en lae verlies, wat geskik is vir langafstandsamehangoptiese kommunikasiemet groot kapasiteit en hoë koers. 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 litium niobaat materiaal is baie geskik vir mikrogolf foton toepassing as gevolg van sy heeltemal lineêre elektro-optiese modulasie koëffisiënt.
Postyd: 22-Apr-2024