Zalety i znaczenie cienkowarstwowego niobianu litu w zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych
Technologia fotonów mikrofalowychma zalety dużej szerokości pasma roboczego, silnej zdolności przetwarzania równoległego i niskiej straty transmisji, co ma potencjał przełamania technicznego wąskiego gardła tradycyjnego systemu mikrofalowego i poprawy wydajności wojskowego elektronicznego sprzętu informacyjnego, takiego jak radar, wojna elektroniczna, komunikacja oraz pomiary i kontrola. Jednak system fotonów mikrofalowych oparty na dyskretnych urządzeniach ma pewne problemy, takie jak duża objętość, duży ciężar i słaba stabilność, które poważnie ograniczają zastosowanie technologii fotonów mikrofalowych na platformach kosmicznych i powietrznych. Dlatego zintegrowana technologia fotonów mikrofalowych staje się ważnym wsparciem w celu przełamania zastosowania fotonów mikrofalowych w wojskowym elektronicznym systemie informacyjnym i pełnego wykorzystania zalet technologii fotonów mikrofalowych.
Obecnie technologia integracji fotonicznej oparta na SI i technologia integracji fotonicznej oparta na INP stały się coraz bardziej dojrzałe po latach rozwoju w dziedzinie komunikacji optycznej, a na rynek wprowadzono wiele produktów. Jednak w przypadku zastosowania mikrofalowych fotonów 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, do których dąży technologia mikrofalowych fotonów; Na przykład krzemowy przełącznik optyczny, który realizuje przełączanie ścieżki optycznej, czy to w oparciu o efekt termiczno-optyczny, efekt piezoelektryczny, czy efekt dyspersji wtrysku nośników, ma problemy z niską prędkością przełączania, zużyciem energii i zużyciem ciepła, które nie mogą sprostać szybkiemu skanowaniu wiązki i aplikacjom mikrofalowych fotonów w dużej skali.
Niobian litu zawsze był pierwszym wyborem w przypadku dużych prędkościmodulacja elektrooptycznamateriałów ze względu na doskonały liniowy efekt elektrooptyczny. Jednak tradycyjny niobian litumodulator elektrooptycznyjest wykonany z masywnego kryształu niobianu litu, a rozmiar urządzenia jest bardzo duży, co nie może sprostać potrzebom zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych. Jak zintegrować materiały niobianu litu z liniowym współczynnikiem elektrooptycznym w zintegrowanym systemie technologii fotonów mikrofalowych, stało się celem odpowiednich badaczy. W 2018 roku zespół badawczy z Uniwersytetu Harvarda w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy zgłosił technologię integracji fotonicznej opartą na cienkowarstwowym niobianu litu w naturze, ponieważ technologia ta ma zalety wysokiej integracji, dużej szerokości pasma modulacji elektrooptycznej i wysokiej liniowości efektu elektrooptycznego, po uruchomieniu natychmiast przyciągnęła uwagę akademicką i przemysłową w dziedzinie integracji fotonicznej i fotoniki mikrofalowej. Z perspektywy zastosowania fotonów mikrofalowych, niniejszy artykuł analizuje wpływ i znaczenie technologii integracji fotonicznej opartej na cienkowarstwowym niobianu litu na rozwój technologii fotonów mikrofalowych.
Materiał cienkowarstwowy z niobianu litu i cienka warstwamodulator niobianu litu
W ostatnich dwóch latach pojawił się nowy typ materiału z niobianu litu, tzn. film z niobianu litu jest złuszczany z masywnego kryształu niobianu litu metodą „krojenia jonowego” i łączony z waflem krzemowym za pomocą warstwy buforowej z krzemionki, tworząc materiał LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], który w tym artykule nazywany jest cienkowarstwowym materiałem z niobianu litu. Falowody grzbietowe o wysokości ponad 100 nanometrów można wytrawić na cienkowarstwowych materiałach z niobianu litu za pomocą zoptymalizowanego procesu trawienia na sucho, a efektywna różnica współczynnika załamania światła utworzonych falowodów może osiągnąć wartość większą niż 0,8 (znacznie wyższą niż różnica współczynnika załamania światła tradycyjnych falowodów z 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.
Pojawienie się niskostratnego falowodu submikronowego z niobianu litu przełamuje wąskie gardło wysokiego napięcia napędowego tradycyjnego elektrooptycznego modulatora niobianu litu. Odstęp między elektrodami można zmniejszyć do ~ 5 μm, a nakładanie się pola elektrycznego i pola trybu optycznego jest znacznie zwiększone, a vπ ·L zmniejsza się z ponad 20 V·cm do mniej niż 2,8 V·cm. Dlatego przy tym samym napięciu półfalowym długość urządzenia można znacznie zmniejszyć w porównaniu z tradycyjnym modulatorem. Jednocześnie po zoptymalizowaniu parametrów szerokości, grubości i interwału elektrody fali bieżącej, jak pokazano na rysunku, modulator może mieć zdolność ultrawysokiej szerokości pasma modulacji większej niż 100 GHz.
Rys. 1 (a) obliczony rozkład modów i (b) obraz przekroju poprzecznego falowodu LN
Rys. 2 (a) Struktura falowodu i elektrody oraz (b) płyta rdzeniowa modulatora LN
Porównanie cienkowarstwowych modulatorów z niobianem litu z tradycyjnymi komercyjnymi modulatorami z niobianem litu, modulatorami na bazie krzemu i modulatorami z fosforku indu (InP) oraz innymi istniejącymi szybkimi modulatorami elektrooptycznymi. Główne parametry porównania obejmują:
(1) Iloczyn półfalowy długości napięcia (vπ ·L, V · cm), mierzący wydajność modulacji modulatora – im mniejsza wartość, tym wyższa wydajność modulacji;
(2) 3 dB szerokości pasma modulacji (GHz), która mierzy odpowiedź modulatora na modulację o wysokiej częstotliwości;
(3) Strata wstawiania optycznego (dB) w obszarze modulacji. Z tabeli wynika, że cienkowarstwowy modulator niobianu litu ma oczywiste zalety w zakresie szerokości pasma modulacji, napięcia półfalowego, strat interpolacji optycznej itd.
Krzem, jako kamień węgielny zintegrowanej optoelektroniki, został do tej pory opracowany, 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 nośników, wstrzykiwanie nośników i akumulacja nośników. Spośród nich szerokość pasma modulatora jest optymalna z liniowym stopniem mechanizmu wyczerpywania nośników, ale ponieważ rozkład pola optycznego nakłada się na nierównomierność obszaru wyczerpywania, efekt ten wprowadzi nieliniowe zniekształcenia drugiego rzędu i zniekształcenia intermodulacyjne trzeciego rzędu, połączone z efektem absorpcji nośnika na światło, co doprowadzi do zmniejszenia amplitudy modulacji optycznej i zniekształcenia sygnału.
Modulator InP ma wyjątkowe efekty elektrooptyczne, a wielowarstwowa struktura studni kwantowej może realizować modulatory o bardzo wysokiej częstotliwości i niskim napięciu napędowym z Vπ·L do 0,156 V · mm. Jednak zmiana współczynnika refrakcji z polem elektrycznym obejmuje terminy liniowe i nieliniowe, a wzrost natężenia pola elektrycznego sprawi, że efekt drugiego rzędu będzie widoczny. Dlatego krzemowe i elektrooptyczne modulatory InP muszą stosować polaryzację, aby utworzyć złącze pn, gdy działają, a złącze pn ujawni stratę absorpcyjną. Jednak rozmiar modulatora tych dwóch jest mały, rozmiar komercyjnego modulatora InP stanowi 1/4 rozmiaru modulatora LN. Wysoka wydajność modulacji, odpowiednia dla sieci transmisji optycznej o wysokiej gęstości i krótkich odległościach, takich jak centra danych. Efekt elektrooptyczny niobianu litu nie ma mechanizmu absorpcji światła i ma niską stratę, co jest odpowiednie dla spójnych sieci dalekiego zasięgukomunikacja optycznao dużej pojemności i wysokiej szybkości. W zastosowaniu mikrofalowych fotonów współczynniki elektrooptyczne Si i InP są nieliniowe, co nie jest odpowiednie dla mikrofalowego układu fotonowego, który dąży do wysokiej liniowości i dużej dynamiki. Materiał niobianu litu jest bardzo odpowiedni do zastosowania mikrofalowych fotonów ze względu na całkowicie liniowy współczynnik modulacji elektrooptycznej.
Czas publikacji: 22-kwi-2024