Zalety i znaczenie cienkowarstwowego niobianu litu w zintegrowanej technologii fotonowo-mikrofalowej
Technologia fotonów mikrofalowychCechą charakterystyczną tego systemu jest duża szerokość pasma, wysoka zdolność przetwarzania równoległego i niskie straty transmisyjne, co potencjalnie pozwala na przełamanie wąskiego gardła technologicznego tradycyjnych systemów mikrofalowych i poprawę wydajności wojskowego elektronicznego sprzętu informacyjnego, takiego jak radary, systemy walki elektronicznej, systemy łączności oraz systemy pomiarowo-kontrolne. System mikrofalowo-fotonowy oparty na elementach dyskretnych ma jednak pewne wady, takie jak duża objętość, duża masa i słaba stabilność, które poważnie ograniczają zastosowanie technologii mikrofalowo-fotonowej na platformach kosmicznych i powietrznych. Dlatego zintegrowana technologia mikrofalowo-fotonowa staje się ważnym narzędziem w walce z wykorzystaniem mikrofalowo-fotonowej w wojskowych elektronicznych systemach informacyjnych i w pełni wykorzystuje jej zalety.
Obecnie technologie integracji fotonicznej oparte na SI i INP stają się coraz bardziej dojrzałe po latach rozwoju w dziedzinie komunikacji optycznej, a na rynku pojawiło się wiele produktów. Jednak w przypadku zastosowań fotonów mikrofalowych istnieją pewne problemy w tych dwóch rodzajach technologii integracji fotonów: na przykład nieliniowy współczynnik elektrooptyczny modulatora Si i modulatora InP jest sprzeczny z wysoką liniowością i dużymi charakterystykami dynamicznymi, które charakteryzują technologię fotonów mikrofalowych. Na przykład krzemowy przełącznik optyczny, który realizuje przełączanie ścieżek optycznych, niezależnie od tego, czy opiera się na efekcie termiczno-optycznym, efekcie piezoelektrycznym, czy efekcie dyspersji wtrysku nośników, ma problemy z niską prędkością przełączania, poborem mocy i ciepła, co uniemożliwia szybkie skanowanie wiązki i zastosowanie fotonów mikrofalowych w dużych matrycach.
Niobian litu zawsze był pierwszym wyborem w przypadku dużych prędkościmodulacja elektrooptycznaMateriały te są dostępne ze względu na doskonały liniowy efekt elektrooptyczny. Jednak tradycyjny niobian litumodulator elektrooptycznyJest wykonany z masywnego kryształu niobianu litu, a jego rozmiar jest bardzo duży, co nie spełnia wymagań zintegrowanej technologii fotonowej mikrofal. Zintegrowanie materiałów niobianu litu o liniowym współczynniku elektrooptycznym w zintegrowany system technologii fotonowej mikrofal stało się celem odpowiednich badaczy. W 2018 roku zespół badawczy z Uniwersytetu Harvarda w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy opublikował w czasopiśmie Nature technologię integracji fotonicznej opartą na cienkowarstwowym niobianu litu. Technologia ta charakteryzuje się wysoką integracją, szerokim pasmem modulacji elektrooptycznej i wysoką liniowością efektu elektrooptycznego. Po uruchomieniu natychmiast przyciągnęła uwagę środowiska akademickiego i przemysłu w dziedzinie integracji fotonicznej i fotoniki mikrofalowej. Z perspektywy zastosowań fotonów mikrofalowych, niniejszy artykuł analizuje wpływ i znaczenie technologii integracji fotonowej opartej na cienkowarstwowym niobianu litu na rozwój technologii fotonowej mikrofal.
Materiał cienkowarstwowy z niobianu litu i cienkie warstwymodulator niobianu litu
W ciągu ostatnich dwóch lat pojawił się nowy rodzaj materiału niobianu litu, tzn. warstwa niobianu litu jest odrywana od masywnego kryształu niobianu litu metodą „krojenia jonowego” i łączona z waflem krzemowym za pomocą warstwy buforowej krzemionki, tworząc materiał LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], który w tym artykule nazywany jest cienkowarstwowym materiałem niobianu litu. Grzbietowe falowody o wysokości ponad 100 nanometrów można wytrawić na cienkowarstwowych materiałach niobianu litu za pomocą zoptymalizowanego procesu suchego trawienia, a efektywna różnica współczynnika załamania światła utworzonych falowodów może osiągnąć więcej niż 0,8 (znacznie więcej niż różnica współczynnika załamania światła tradycyjnych falowodów niobianu litu wynosząca 0,02), jak pokazano na rysunku 1. Silnie ograniczony falowód ułatwia dopasowanie pola światła do pola mikrofalowego podczas projektowania modulatora. Dlatego korzystne jest uzyskanie niższego napięcia półfalowego i większej szerokości pasma modulacji przy mniejszej długości.
Wprowadzenie niskostratnego, submikronowego falowodu z niobianu litu eliminuje wąskie gardło wysokiego napięcia sterującego tradycyjnego modulatora elektrooptycznego z niobianu litu. Odstęp między elektrodami można zmniejszyć do ~5 μm, a nakładanie się pola elektrycznego i pola modów optycznych ulega znacznemu zwiększeniu, a napięcie vπ·L spada z ponad 20 V·cm do mniej niż 2,8 V·cm. Dzięki temu, przy tym samym napięciu półfalowym, długość urządzenia może zostać znacznie zmniejszona w porównaniu z tradycyjnym modulatorem. Jednocześnie, po optymalizacji parametrów szerokości, grubości i interwału elektrody fali bieżącej, jak pokazano na rysunku, modulator może osiągnąć ultrawysoką szerokość pasma modulacji, przekraczającą 100 GHz.
Rys. 1 (a) obliczony rozkład modów i (b) obraz przekroju poprzecznego światłowodu LN
Rys. 2 (a) Struktura falowodu i elektrody oraz (b) płyta rdzeniowa modulatora LN
Porównanie cienkowarstwowych modulatorów z niobianu litu z tradycyjnymi komercyjnymi modulatorami z niobianu litu, modulatorami na bazie krzemu i modulatorami z fosforku indu (InP) oraz innymi istniejącymi szybkimi modulatorami elektrooptycznymi. Główne parametry porównania obejmują:
(1) Iloczyn półfalowy wolto-długości (vπ ·L, V·cm), mierzący wydajność modulacji modulatora – im mniejsza wartość, tym wyższa wydajność modulacji;
(2) 3 dB szerokości pasma modulacji (GHz), która mierzy reakcję modulatora na modulację o wysokiej częstotliwości;
(3) Straty wtrąceniowe optyczne (dB) w obszarze modulacji. Z tabeli wynika, że cienkowarstwowy modulator niobianu litu ma oczywiste zalety pod względem szerokości pasma modulacji, napięcia półfalowego, strat interpolacji optycznej itd.
Krzem, jako kamień węgielny zintegrowanej optoelektroniki, został już rozwinięty, proces jest dojrzały, jego miniaturyzacja sprzyja integracji na dużą skalę urządzeń aktywnych/pasywnych, a jego modulator został szeroko i dogłębnie zbadany w dziedzinie komunikacji optycznej. Mechanizm modulacji elektrooptycznej krzemu to głównie wyczerpywanie się nośnych, wstrzykiwanie nośnych i akumulacja nośnych. Spośród nich, szerokość pasma modulatora jest optymalna przy liniowym mechanizmie wyczerpywania nośnych, ale ponieważ rozkład pola optycznego nakłada się na nierównomierność obszaru zubożenia, efekt ten wprowadzi nieliniowe zniekształcenia drugiego rzędu i zniekształcenia intermodulacyjne trzeciego rzędu, w połączeniu z efektem absorpcji nośnej na światło, co doprowadzi do zmniejszenia amplitudy modulacji optycznej i zniekształceń sygnału.
Modulator InP charakteryzuje się wyjątkowymi efektami elektrooptycznymi, a wielowarstwowa struktura studni kwantowej umożliwia realizację modulatorów o ultrawysokiej częstotliwości i niskim napięciu sterującym z Vπ·L do 0,156 V·mm. Jednakże, zmiana współczynnika refrakcji w zależności od pola elektrycznego obejmuje zarówno elementy liniowe, jak i nieliniowe, a wzrost natężenia pola elektrycznego uwydatnia efekt drugiego rzędu. Dlatego modulatory elektrooptyczne krzemowe i InP wymagają zastosowania polaryzacji, aby utworzyć złącze pn podczas pracy, a złącze pn uwidacznia straty absorpcyjne. Jednak rozmiar tych dwóch modulatorów jest niewielki – rozmiar komercyjnego modulatora InP stanowi 1/4 rozmiaru modulatora LN. Wysoka wydajność modulacji, odpowiednia dla cyfrowych sieci transmisji optycznej o dużej gęstości i krótkich dystansach, takich jak centra danych. Efekt elektrooptyczny niobianu litu nie charakteryzuje się mechanizmem absorpcji światła i niskimi stratami, co jest odpowiednie dla długodystansowych koherentnych sieci.komunikacja optycznao dużej pojemności i wysokiej częstotliwości. W zastosowaniach fotonów mikrofalowych, współczynniki elektrooptyczne Si i InP są nieliniowe, co nie jest odpowiednie dla mikrofalowego układu fotonowego, który charakteryzuje się wysoką liniowością i dużą dynamiką. Niobian litu doskonale nadaje się do zastosowań fotonów mikrofalowych ze względu na całkowicie liniowy współczynnik modulacji elektrooptycznej.
Czas publikacji: 22-04-2024