Fördelar och betydelse av tunnfilmslitiumniobat i integrerad mikrovågsfotonteknik
Mikrovågsfotonteknikhar fördelarna med stor arbetsbandbredd, stark parallell bearbetningsförmåga och låg överföringsförlust, vilket har potential att bryta den tekniska flaskhalsen i traditionella mikrovågssystem och förbättra prestandan hos militär elektronisk informationsutrustning såsom radar, elektronisk krigföring, kommunikation samt mätning och styrning. Mikrovågsfotonsystem baserat på diskreta enheter har dock vissa problem såsom stor volym, tung vikt och dålig stabilitet, vilket allvarligt begränsar tillämpningen av mikrovågsfotonteknik i rymd- och luftburna plattformar. Därför blir integrerad mikrovågsfotonteknik ett viktigt stöd för att bryta tillämpningen av mikrovågsfotoner i militära elektroniska informationssystem och ge full användning av fördelarna med mikrovågsfotonteknik.
För närvarande har SI-baserad fotonisk integrationsteknik och INP-baserad fotonisk integrationsteknik blivit mer och mer mogna efter åratal av utveckling inom optisk kommunikation, och många produkter har släppts ut på marknaden. För tillämpningen av mikrovågsfotoner finns det dock vissa problem med dessa två typer av fotonintegrationstekniker: till exempel strider den ickelinjära elektrooptiska koefficienten för Si-modulatorn och InP-modulatorn mot den höga linjäritet och stora dynamiska egenskaper som eftersträvas av mikrovågsfotontekniken. Till exempel har den optiska kiselomkopplaren som realiserar optisk vägväxling, oavsett om den är baserad på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bärarinjektionsdispersionseffekt, problem med långsam omkopplingshastighet, strömförbrukning och värmeförbrukning, vilket inte kan uppfylla de snabba strålskannings- och storskaliga mikrovågsfotonapplikationerna.
Litiumniobat har alltid varit förstahandsvalet för höghastighetsteknikelektrooptisk moduleringmaterial på grund av dess utmärkta linjära elektrooptiska effekt. Emellertid är det traditionella litiumniobatetelektrooptisk modulatorär tillverkad av massivt litiumniobatkristallmaterial, och enhetens storlek är mycket stor, vilket inte kan uppfylla behoven hos integrerad mikrovågsfotonteknik. Hur man integrerar litiumniobatmaterial med linjär elektrooptisk koefficient i det integrerade mikrovågsfotontekniksystemet har blivit ett mål för relevanta forskare. År 2018 rapporterade ett forskarteam från Harvard University i USA för första gången den fotoniska integrationstekniken baserad på tunnfilmslitiumniobat i Nature. Eftersom tekniken har fördelarna med hög integration, stor elektrooptisk moduleringsbandbredd och hög linjäritet i den elektrooptiska effekten, väckte den omedelbart akademisk och industriell uppmärksamhet inom området fotonisk integration och mikrovågsfotonik. Ur ett mikrovågsfotontillämpningsperspektiv granskar denna artikel inflytandet och betydelsen av fotonintegrationsteknik baserad på tunnfilmslitiumniobat på utvecklingen av mikrovågsfotonteknik.
Tunnfilmslitiumniobatmaterial och tunnfilmlitiumniobatmodulator
Under de senaste två åren har en ny typ av litiumniobatmaterial framkommit, det vill säga att litiumniobatfilmen exfolieras från den massiva litiumniobatkristallen med hjälp av metoden "jonskärning" och binds till Si-skivan med ett kiseldioxidbuffertlager för att bilda LNOI (LiNbO3-On-Insulator) material [5], vilket i denna artikel kallas tunnfilmslitiumniobatmaterial. Vågledare med en höjd på mer än 100 nanometer kan etsas på tunnfilmslitiumniobatmaterial genom en optimerad torretsningsprocess, och den effektiva brytningsindexskillnaden för de bildade vågledarna kan nå mer än 0,8 (mycket högre än brytningsindexskillnaden för traditionella litiumniobatvågledare på 0,02), såsom visas i figur 1. Den starkt begränsade vågledaren gör det enklare att matcha ljusfältet med mikrovågsfältet vid design av modulatorn. Det är därför fördelaktigt att uppnå lägre halvvågsspänning och större moduleringsbandbredd i en kortare längd.
Utseendet på en lågförlustbaserad litiumniobat-submikronvågledare bryter flaskhalsen hos den höga drivspänningen hos traditionella litiumniobat-elektrooptiska modulatorer. Elektrodavståndet kan minskas till ~ 5 μm, och överlappningen mellan det elektriska fältet och det optiska modfältet ökar kraftigt, och vπ·L minskar från mer än 20 V·cm till mindre än 2,8 V·cm. Därför kan enhetens längd minskas kraftigt jämfört med den traditionella modulatorn under samma halvvågsspänning. Samtidigt, efter att ha optimerat parametrarna för bredd, tjocklek och avstånd för den vandringsvågselektroden, som visas i figuren, kan modulatorn ha förmågan att modulera ultrahögt med en bandbredd på över 100 GHz.
Fig. 1 (a) beräknad modfördelning och (b) bild av tvärsnittet av LN-vågledaren
Fig. 2 (a) Vågledarens och elektrodens struktur och (b) kärnplattan hos LN-modulatorn
Jämförelsen av tunnfilms-litiumniobatmodulatorer med traditionella kommersiella litiumniobatmodulatorer, kiselbaserade modulatorer och indiumfosfid (InP)-modulatorer och andra befintliga höghastighets-elektrooptiska modulatorer, inkluderar de viktigaste parametrarna för jämförelsen:
(1) Halvvågsprodukten av spänningslängden (vπ ·L, V·cm), som mäter modulatorns modulationseffektivitet, ju mindre värde, desto högre modulationseffektivitet;
(2) 3 dB modulationsbandbredd (GHz), som mäter modulatorns respons på högfrekvent modulering;
(3) Optisk insättningsförlust (dB) i modulationsområdet. Det framgår av tabellen att tunnfilmslitiumniobatmodulatorn har uppenbara fördelar vad gäller modulationsbandbredd, halvvågsspänning, optisk interpolationsförlust och så vidare.
Kisel, som hörnstenen inom integrerad optoelektronik, har utvecklats hittills. Processen är mogen, dess miniatyrisering bidrar till storskalig integration av aktiva/passiva komponenter, och dess modulator har studerats i stor utsträckning och djupgående inom området optisk kommunikation. Den elektrooptiska moduleringsmekanismen för kisel är huvudsakligen bärvågsutarmning, bärvågsinjektion och bärvågsackumulering. Bland dessa är modulatorns bandbredd optimal med den linjära bärvågsutarmningsmekanismen, men eftersom den optiska fältfördelningen överlappar med olikformigheten i utarmningsområdet, kommer denna effekt att introducera ickelinjära andra ordningens distorsion och tredje ordningens intermodulationsdistorsionstermer, i kombination med bärvågens absorptionseffekt på ljuset, vilket kommer att leda till en minskning av den optiska moduleringsamplituden och signaldistorsionen.
InP-modulatorn har enastående elektrooptiska effekter, och den flerskiktade kvantbrunnsstrukturen kan realisera modulatorer med ultrahög hastighet och låg drivspänning med Vπ·L upp till 0,156 V·mm. Variationen av brytningsindex med det elektriska fältet inkluderar dock linjära och ickelinjära termer, och ökningen av den elektriska fältintensiteten kommer att göra andra ordningens effekt framträdande. Därför måste kisel- och InP-elektrooptiska modulatorer applicera förspänning för att bilda pn-övergång när de arbetar, och pn-övergången kommer att orsaka absorptionsförlust i ljuset. Modulatorstorleken för dessa två är dock liten, den kommersiella InP-modulatorstorleken är 1/4 av LN-modulatorn. Hög moduleringseffektivitet, lämplig för digitala optiska överföringsnätverk med hög densitet och korta avstånd, såsom datacenter. Den elektrooptiska effekten av litiumniobat har ingen ljusabsorptionsmekanism och låg förlust, vilket är lämpligt för koherent överföring på långa avstånd.optisk kommunikationmed stor kapacitet och hög hastighet. I mikrovågsfotontillämpningar är de elektrooptiska koefficienterna för Si och InP icke-linjära, vilket inte är lämpligt för mikrovågsfotonsystem som strävar efter hög linjäritet och stor dynamik. Litiumniobatmaterialet är mycket lämpligt för mikrovågsfotontillämpningar på grund av dess helt linjära elektrooptiska moduleringskoefficient.
Publiceringstid: 22 april 2024