Fördelar och betydelse av tunnfilm litium -niobat i integrerad mikrovågsugnteknologi
MikrovågsugnteknikHar fördelarna med stor arbetsbandbredd, stark parallell bearbetningsförmåga och låg överföringsförlust, som har potential att bryta den tekniska flaskhalsen i traditionellt mikrovågsystem och förbättra prestandan för militär elektronisk informationsutrustning såsom radar, elektronisk krigföring, kommunikation och mätning och kontroll. Emellertid har mikrovågsfotonsystemet baserat på diskreta enheter vissa problem såsom stor volym, tung vikt och dålig stabilitet, vilket allvarligt begränsar tillämpningen av mikrovågsfoton -teknik i rymdburna och luftburna plattformar. Därför blir integrerad mikrovågsfotonteknologi ett viktigt stöd för att bryta tillämpningen av mikrovågsfoton i militärt elektroniskt informationssystem och ge full spel till fördelarna med mikrovågsfoton -teknik.
För närvarande har SI-baserad fotonisk integrationsteknologi och INP-baserad fotonisk integrationsteknologi blivit mer och mer mogen efter år av utveckling inom området optisk kommunikation, och många produkter har lagts ut på marknaden. För tillämpningen av mikrovågsfoton finns det emellertid vissa problem i dessa två typer av fotonintegrationsteknologier: till exempel den icke-linjära elektrooptiska koefficienten för SI-modulator och INP-modulator strider mot den höga linearitet och stora dynamiska egenskaper som bedrivs av mikrovågsfoton-teknik; Till exempel har den optiska kiselomkopplaren som inser optisk vägbyte, oavsett om det är baserat på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bärningsinjektionseffekt, problem med långsam växlingshastighet, strömförbrukning och värmeförbrukning, som inte kan uppfylla snabbstrålskanning och stor mängd fotonapplikationer.
Litiumniobat har alltid varit det första valet för hög hastighetelektrooptisk moduleringMaterial på grund av dess utmärkta linjära elektrooptiska effekt. Men det traditionella litium -niobatetelektrooptisk modulatorär tillverkad av massivt litium -niobatkristallmaterial, och enhetsstorleken är mycket stor, vilket inte kan tillgodose behoven hos integrerad mikrovågfoton -teknik. Hur man integrerar litium-niobatmaterial med linjär elektrooptisk koefficient i det integrerade mikrovågs-foton-tekniksystemet har blivit målet för relevanta forskare. Under 2018 rapporterade ett forskarteam från Harvard University i USA först den fotoniska integrationstekniken baserad på tunn film litium niobat i naturen, eftersom tekniken har fördelarna med hög integration, stor elektrooptisk moduleringsbandbredd och hög linearitet i elektrooptisk effekt, en gång lanserad, den orsakade omedelbart den akademiska och industriella uppmärksamheten i fältet av foton och mikrovattens foton och mikrofoton-foton. Ur perspektivet av mikrovågsfotonapplikation granskar detta papper påverkan och betydelsen av fotonintegrationsteknologi baserad på tunnfilm litium -niobat på utvecklingen av mikrovågsfoton -teknik.
Tunn film litium niobatmaterial och tunn filmlitiumniobatmodulator
Under de senaste två åren har en ny typ av litium-niobatmaterial dykt upp, det vill säga den litium-niobatfilmen exfolieras från det massiva litium-niobatkristallen med metoden "jon slicing" och bundet till det tunna filmen i kiseldioxiden för att bilda Lnoi (Linbo3-på-in-insator) [5] [5] som kallas thunne-film. Ridge -vågledare med en höjd av mer än 100 nanometer kan etsas på tunna film litium -niobatmaterial genom optimerad torr etsningsprocess, och den effektiva brytningsindexskillnaden i vågledarna som bildas kan nå mer än 0,8 (långt högre än brytningsindexskillnaden i traditionell litium -niobatvågvågar av 0,02), som visas i figur 1. Designa modulatorn. Således är det fördelaktigt att uppnå lägre halvvågspänning och större moduleringsbandbredd i en kortare längd.
Utseendet på lågförlust litium niobat submikron vågledare bryter flaskhalsen för hög körspänning av traditionell litium-niobatelektrooptisk modulator. Elektrodavståndet kan reduceras till ~ 5 μm, och överlappningen mellan det elektriska fältet och fältet optiskt läge ökas kraftigt och Vπ · L minskar från mer än 20 V · cm till mindre än 2,8 V · cm. Därför, under samma halvvågspänning, kan enhetens längd minskas kraftigt jämfört med den traditionella modulatorn. Samtidigt, efter att ha optimerat parametrarna för bredden, tjockleken och intervallet för den resande vågelektroden, såsom visas i figuren, kan modulatorn ha förmågan att ultrahög moduleringsbandbredd större än 100 GHz.
Fig.1 （A） Beräknad lägesfördelning och （B） Bild av tvärsnittet av LN-vågledaren
Fig.2 （A） Vågledare och elektrodstruktur och （B） Kärna för LN -modulator
Jämförelsen av tunnfilm litium-niobatmodulatorer med traditionella litium-niobat kommersiella modulatorer, kiselbaserade modulatorer och indiumfosfid (INP) -modulatorer och andra befintliga höghastighetslektrooptiska modulatorer, huvudparametrarna för jämförelsen inkluderar:
(1) Halvvågs voltlängd produkt (Vπ · L, V · cm), mätning av moduleringseffektiviteten för modulatorn, desto mindre är värdet, desto högre är moduleringseffektiviteten;
(2) 3 dB-moduleringsbandbredd (GHz), som mäter modulatorns svar på högfrekvensmodulering;
(3) Optisk insättningsförlust (DB) i moduleringsregionen. Det kan ses från tabellen att tunnfilm litium niobatmodulator har uppenbara fördelar inom moduleringsbandbredd, halvvågspänning, optisk interpoleringsförlust och så vidare.
Silicon, som hörnstenen i integrerad optoelektronik, har hittills utvecklats, processen är mogen, dess miniatyrisering bidrar till storskalig integration av aktiva/passiva enheter, och dess modulator har studerats allmänt och djupt studerats inom området optisk kommunikation. Den elektrooptiska moduleringsmekanismen för kisel är huvudsakligen bärarutlösning, bärarinjektion och bäraransamling. Bland dem är modulatorns bandbredd optimal med den linjära examensföretagsmekanismen, men eftersom den optiska fältfördelningen överlappar den icke-enhetliga av utarmningsområdet kommer denna effekt att introducera olinjär andra ordningsförvrängning och tredje ordningens intermoduleringsförvrängningsvillkor, kopplad till absorptionseffekten av bäraren på ljuset, som kommer att leda till den reduktion som kommer att leda till den reduktionella moduleringsförvrängningen, kopplad till absorptionseffekten av den ljuset på ljuset, vilket kommer att leda till den reduktion som kommer att leda till den reduktion som kommer att leda till den reduktionella moduleringsförvrängningen.
INP-modulatorn har enastående elektrooptiska effekter, och multiliktskvantbrunnsstrukturen kan realisera ultrahög hastighet och låg körspänningsmodulatorer med Vπ · L upp till 0,156V · mm. Variationen i brytningsindex med elektriskt fält inkluderar emellertid linjära och olinjära termer, och ökningen av elektriska fältintensitet kommer att göra den andra ordningens effekt framträdande. Därför måste kisel- och INP-elektrooptiska modulatorer applicera förspänning för att bilda PN-korsning när de arbetar, och PN-korsning kommer att ge absorptionsförlust till ljus. Modulatorstorleken för dessa två är emellertid liten, den kommersiella INP -modulatorstorleken är 1/4 av LN -modulatorn. Hög moduleringseffektivitet, lämplig för högdensitet och kortavstånd digitala optiska överföringsnätverk såsom datacenter. Den elektrooptiska effekten av litiumniobat har ingen lätt absorptionsmekanism och låg förlust, vilket är lämpligt för långdistans sammanhängandeoptisk kommunikationmed stor kapacitet och hög hastighet. I mikrovågsfotonapplikationen är de elektrooptiska koefficienterna för SI och INP olinjära, vilket inte är lämpligt för mikrovågs-fotonsystemet som bedriver hög linearitet och stor dynamik. Litium-niobatmaterialet är mycket lämpligt för mikrovågsfotonapplikation på grund av dess helt linjära elektrooptiska moduleringskoefficient.
Inlägg: apr-22-2024