Cienkowarstwowy materiał niobianu litu i cienkowarstwowy modulator niobianu litu

Zalety i znaczenie cienkowarstwowego niobianu litu w zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych

Mikrofalowa technologia fotonowama zalety dużej przepustowości roboczej, dużej zdolności przetwarzania równoległego i niskich strat transmisji, co może przełamać techniczne wąskie gardło tradycyjnego systemu mikrofalowego i poprawić wydajność wojskowego elektronicznego sprzętu informacyjnego, takiego jak radar, broń elektroniczna, komunikacja i pomiary oraz kontrola. Jednakże mikrofalowy system fotonowy oparty na dyskretnych urządzeniach ma pewne problemy, takie jak duża objętość, duża waga i słaba stabilność, które poważnie ograniczają zastosowanie mikrofalowej technologii fotonowej na platformach kosmicznych i powietrznych. Dlatego zintegrowana technologia fotonów mikrofalowych staje się ważnym wsparciem pozwalającym przełamać zastosowanie fotonów mikrofalowych w wojskowym elektronicznym systemie informacyjnym i w pełni wykorzystać zalety technologii fotonów mikrofalowych.

Obecnie technologia integracji fotonicznej oparta na SI i technologia integracji fotonicznej oparta na INP stają się coraz bardziej dojrzałe po latach rozwoju w dziedzinie komunikacji optycznej, a na rynek wprowadzono wiele produktów. Jednakże w przypadku zastosowania fotonu mikrofalowego 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 osiąganymi przez kuchenkę mikrofalową technologia fotonowa; Na przykład krzemowy przełącznik optyczny, który realizuje przełączanie ścieżki optycznej, czy to w oparciu o efekt termooptyczny, efekt piezoelektryczny, czy efekt dyspersji wtrysku nośnika, ma problemy związane z małą szybkością przełączania, zużyciem energii i zużyciem ciepła, które nie są w stanie sprostać szybkim skanowanie wiązek i zastosowania fotonów mikrofalowych na dużą skalę.

Nioban litu zawsze był pierwszym wyborem w przypadku dużych prędkościmodulacja elektrooptycznamateriałów ze względu na doskonały liniowy efekt elektrooptyczny. Jednak tradycyjny niobonian litumodulator elektrooptycznyjest wykonany z masywnego materiału krystalicznego niobianu litu, a rozmiar urządzenia jest bardzo duży, co nie może zaspokoić potrzeb zintegrowanej technologii fotonów mikrofalowych. Celem odpowiednich badaczy stało się zintegrowanie materiałów niobianu litu z liniowym współczynnikiem elektrooptycznym w zintegrowanym systemie technologii fotonów mikrofalowych. W 2018 roku zespół badawczy z Uniwersytetu Harvarda w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy zgłosił technologię integracji fotonicznej opartą na cienkowarstwowym niobianie litu w naturze, ponieważ technologia ta ma zalety w postaci wysokiej integracji, dużej szerokości pasma modulacji elektrooptycznej i wysokiej liniowości elektro -efekt optyczny, po uruchomieniu, natychmiast przyciągnął uwagę środowiska akademickiego i przemysłowego w dziedzinie integracji fotonicznej i fotoniki mikrofalowej. W artykule dokonano przeglądu wpływu i znaczenia technologii integracji fotonów opartej na cienkowarstwowym niobianie litu z punktu widzenia zastosowań fotonów mikrofalowych na rozwój technologii fotonów mikrofalowych.

Cienkowarstwowy materiał niobianu litu i cienka foliamodulator niobianu litu
W ciągu ostatnich dwóch lat pojawił się nowy rodzaj materiału niobianu litu, to znaczy warstewka niobianu litu jest oddzielana od masywnego kryształu niobianu litu metodą „cięcia jonowego” i łączona z płytką krzemową warstwą buforową krzemionki w celu uzyskania tworzą materiał LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], który w tym artykule nazywany jest cienkowarstwowym materiałem niobianu litu. Falowody grzbietowe o wysokości ponad 100 nanometrów można wytrawiać na cienkowarstwowych materiałach z niobianu litu za pomocą zoptymalizowanego procesu trawienia na sucho, a efektywna różnica współczynnika załamania światła utworzonych falowodów może osiągnąć ponad 0,8 (znacznie więcej niż różnica współczynnika załamania światła tradycyjnych falowody z niobianu litu 0,02), jak pokazano na rysunku 1. Silnie ograniczony falowód ułatwia dopasowanie pola świetlnego do pola mikrofalowego przy projektowaniu modulatora. Zatem korzystne jest osiągnięcie niższego napięcia półfali i większej szerokości pasma modulacji przy krótszej długości.

Pojawienie się niskostratnego falowodu submikronowego z niobianu litu przełamuje 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 trybu optycznego znacznie wzrasta, a vπ·L spada z ponad 20 V·cm do mniej niż 2,8 V·cm. Dlatego przy tym samym napięciu półfali długość urządzenia można znacznie zmniejszyć w porównaniu z tradycyjnym modulatorem. Jednocześnie po zoptymalizowaniu parametrów szerokości, grubości i odstępu elektrody fali bieżącej, jak pokazano na rysunku, modulator może uzyskać zdolność ultrawysokiej szerokości pasma modulacji przekraczającej 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 rdzenia modulatora LN

Porównanie cienkowarstwowych modulatorów niobianu litu z tradycyjnymi komercyjnymi modulatorami niobianu litu, modulatorami na bazie krzemu i modulatorami fosforku indu (InP) oraz innymi istniejącymi szybkimi modulatorami elektrooptycznymi, główne parametry porównania obejmują:
(1) Iloczyn długości wolta półfalowego (vπ·L, V·cm), mierzący skuteczność modulacji modulatora, im mniejsza wartość, tym wyższa skuteczność modulacji;
(2) szerokość pasma modulacji 3 dB (GHz), która mierzy reakcję modulatora na modulację wysokiej częstotliwości;
(3) Optyczna tłumienność wtrąceniowa (dB) w obszarze modulacji. Z tabeli widać, że cienkowarstwowy modulator niobianu litu ma oczywiste zalety w zakresie szerokości pasma modulacji, napięcia półfali, strat interpolacji optycznej i tak dalej.

Krzem, jako kamień węgielny zintegrowanej optoelektroniki, został dotychczas opracowany, proces jest dojrzały, jego miniaturyzacja sprzyja integracji urządzeń aktywnych/pasywnych na dużą skalę, a jego modulator został szeroko i dogłębnie zbadany w dziedzinie optyki komunikacja. Mechanizm modulacji elektrooptycznej krzemu polega głównie na zubożaniu nośnika, wstrzykiwaniu nośnika i akumulacji nośnika. Wśród nich szerokość pasma modulatora jest optymalna przy liniowym mechanizmie wyczerpywania nośnej, ale ponieważ rozkład pola optycznego nakłada się na niejednorodność obszaru zubożenia, efekt ten wprowadzi nieliniowe zniekształcenie drugiego rzędu i zniekształcenie intermodulacyjne trzeciego rzędu w połączeniu z efektem absorpcji nośnika na światło, co doprowadzi do zmniejszenia amplitudy modulacji optycznej i zniekształcenia sygnału.

Modulator InP ma znakomite efekty elektrooptyczne, a wielowarstwowa struktura studni kwantowej może realizować modulatory o bardzo dużej szybkości i niskim napięciu sterującym z Vπ·L do 0,156 V · mm. Jednakże zmiana współczynnika załamania światła w polu elektrycznym obejmuje składniki liniowe i nieliniowe, a wzrost natężenia pola elektrycznego uwydatni efekt drugiego rzędu. Dlatego modulatory elektrooptyczne krzemowe i InP muszą podczas pracy stosować polaryzację, aby utworzyć złącze pn, a złącze pn ujawni utratę absorpcji. Jednakże rozmiar modulatora tych dwóch jest niewielki, komercyjny rozmiar modulatora InP wynosi 1/4 modulatora LN. Wysoka wydajność modulacji, odpowiednia dla cyfrowych sieci transmisji optycznej o dużej gęstości i małych odległościach, takich jak centra danych. Efekt elektrooptyczny niobianu litu nie ma mechanizmu absorpcji światła i niskich strat, co jest odpowiednie dla spójnych na duże odległościkomunikacja optycznao dużej pojemności i wysokiej szybkości. W zastosowaniu fotonów mikrofalowych 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 zastosowań w fotonach mikrofalowych ze względu na jego całkowicie liniowy współczynnik modulacji elektrooptycznej.