Fördelar och betydelse med 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 som radar, elektronisk krigföring, kommunikation och mätning och kontrollera. Mikrovågsfotonsystemet baserat på diskreta enheter har dock vissa problem som stor volym, tung vikt och dålig stabilitet, vilket allvarligt begränsar tillämpningen av mikrovågsfotonteknologi i rymdburna och luftburna plattformar. Därför blir integrerad mikrovågsfotonteknik ett viktigt stöd för att bryta tillämpningen av mikrovågsfoton i militära elektroniska informationssystem och ge fullt spel åt fördelarna med mikrovågsfotonteknik.
För närvarande har SI-baserad fotonisk integrationsteknik och INP-baserad fotonisk integrationsteknik blivit mer och mer mogen efter år av utveckling inom området optisk kommunikation, och många produkter har släppts ut på marknaden. För tillämpningen av mikrovågsfoton finns det dock vissa problem i dessa två typer av fotonintegreringsteknologier: till exempel strider den olinjära elektrooptiska koefficienten för Si-modulator och InP-modulator mot den höga linjäritet och stora dynamiska egenskaper som eftersträvas av mikrovågor fotonteknik; Till exempel har den optiska kiselomkopplaren som realiserar optisk vägväxling, oavsett om den är baserad på termisk-optisk effekt, piezoelektrisk effekt eller bärarinjektionsspridningseffekt, problemen med långsam växlingshastighet, strömförbrukning och värmeförbrukning, vilket inte kan möta den snabba strålskanning och storskaliga mikrovågsfotonapplikationer.
Litiumniobat har alltid varit förstahandsvalet för hög hastighetelektro-optisk moduleringmaterial på grund av dess utmärkta linjära elektrooptiska effekt. Men det traditionella litiumniobatelektro-optisk modulatorär gjord av massivt litiumniobatkristallmaterial, och enhetens storlek är mycket stor, vilket inte kan möta behoven hos integrerad mikrovågsfotonteknik. Hur man integrerar litiumniobatmaterial med linjär elektrooptisk koefficient i det integrerade mikrovågsfotontekniksystemet har blivit målet för relevanta forskare. År 2018 rapporterade ett forskarlag från Harvard University i USA för första gången den fotoniska integrationsteknologin baserad på tunnfilmslitiumniobat i naturen, eftersom tekniken har fördelarna med hög integration, stor elektro-optisk moduleringsbandbredd och hög linjäritet av elektro -optisk effekt, en gång lanserad, orsakade den omedelbart den akademiska och industriella uppmärksamheten inom området fotonisk integration och mikrovågsfotonik. Ur perspektivet av mikrovågsfotonapplikation, granskar detta dokument inflytandet och betydelsen av fotonintegreringsteknik baserad på tunnfilmslitiumniobat på utvecklingen av mikrovågsfotonteknologi.
Tunnfilmslitiumniobatmaterial och tunnfilmlitiumniobatmodulator
Under de senaste två åren har en ny typ av litiumniobatmaterial dykt upp, det vill säga att litiumniobatfilmen exfolieras från den massiva litiumniobatkristallen genom metoden "jonskivning" och binds till Si-skivan med ett kiseldioxidbuffertskikt för att bildar LNOI-material (LiNbO3-On-Insulator) [5], som kallas tunnfilmslitiumniobatmaterial i denna uppsats. Ridge-vågledare med en höjd på mer än 100 nanometer kan etsas på tunnfilmslitiumniobatmaterial genom 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), som visas i figur 1. Den starkt begränsade vågledaren gör det lättare att matcha ljusfältet med mikrovågsfältet vid design av modulatorn. Således är det fördelaktigt att uppnå lägre halvvågsspänning och större moduleringsbandbredd i en kortare längd.
Utseendet på en submikron vågledare av litiumniobat med låg förlust bryter flaskhalsen för hög drivspänning hos traditionell elektrooptisk litiumniobatmodulator. Elektrodavståndet kan reduceras till ~ 5 μm, och överlappningen mellan det elektriska fältet och det optiska modfältet ökas kraftigt, och vπ ·L minskar från mer än 20 V·cm till mindre än 2,8 V·cm. Därför, under samma halvvågsspänning, kan enhetens längd reduceras avsevärt jämfört med den traditionella modulatorn. Samtidigt, efter att ha optimerat parametrarna för bredden, tjockleken och intervallet för den resande vågelektroden, som visas i figuren, kan modulatorn ha förmågan till ultrahög moduleringsbandbredd större än 100 GHz.
Fig. 1 （a） beräknad modfördelning och （b） bild av tvärsnittet av LN-vågledaren
Fig. 2 （a） Vågledare och elektrodstruktur och （b） kärnplatta för LN-modulator
Jämförelsen av tunnfilmslitiumniobatmodulatorer med traditionella kommersiella litiumniobatmodulatorer, kiselbaserade modulatorer och indiumfosfidmodulatorer (InP) och andra befintliga elektrooptiska höghastighetsmodulatorer, de viktigaste parametrarna för jämförelsen inkluderar:
(1) Halvvågsprodukt med voltlängd (vπ ·L, V·cm), som mäter modulatorns modulationseffektivitet, ju mindre värde, desto högre modulationseffektivitet;
(2) 3 dB moduleringsbandbredd (GHz), som mäter modulatorns svar på högfrekvensmodulering;
(3) Optisk insättningsförlust (dB) i moduleringsområdet. Det kan ses från tabellen att tunnfilmslitiumniobatmodulator har uppenbara fördelar i moduleringsbandbredd, halvvågsspänning, optisk interpolationsförlust och så vidare.
Kisel, som hörnstenen i integrerad optoelektronik, har utvecklats hittills, processen är mogen, dess miniatyrisering bidrar till storskalig integrering av aktiva/passiva enheter, och dess modulator har studerats brett och djupt inom det optiska området. kommunikation. Den elektrooptiska moduleringsmekanismen för kisel är huvudsakligen bärarutarmning, bärarinjektion och bärarackumulering. Bland dem är modulatorns bandbredd optimal med bärvågsutarmningsmekanismen för linjär grad, men eftersom den optiska fältfördelningen överlappar med olikformigheten i utarmningsområdet kommer denna effekt att introducera ickelinjär andra ordningens distorsion och tredje ordningens intermodulationsdistorsion termer, i kombination med bärarens absorptionseffekt på ljuset, vilket kommer att leda till minskningen av den optiska moduleringsamplituden och signaldistorsionen.
InP-modulatorn har enastående elektrooptiska effekter, och kvantbrunnsstrukturen i flera lager kan realisera modulatorer med ultrahög hastighet och låg drivspänning med Vπ·L upp till 0,156V · mm. Variationen av brytningsindex med elektriskt fält inkluderar emellertid linjära och olinjära termer, och ökningen av det elektriska fältets intensitet kommer att göra andra ordningens effekt framträdande. Därför måste elektrooptiska modulatorer av kisel och InP applicera bias för att bilda pn-övergången när de fungerar, och pn-övergången kommer att leda till absorptionsförluster. 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 långdistanskoherentoptisk kommunikationmed stor kapacitet och hög hastighet. I mikrovågsfotonapplikationen är de elektrooptiska koefficienterna för Si och InP olinjära, vilket inte är lämpligt för mikrovågsfotonsystemet som eftersträvar hög linjäritet och stor dynamik. Litiumniobatmaterialet är mycket lämpligt för mikrovågsfotonapplikationer på grund av dess helt linjära elektrooptiska moduleringskoefficient.
Posttid: 2024-apr-22