Plānas plēves litija niobāta materiāls un plānas plēves litija niobāta modulators

Plānās kārtiņas litija niobāta priekšrocības un nozīme integrētajā mikroviļņu fotonu tehnoloģijā

Mikroviļņu fotonu tehnoloģijair tādas priekšrocības kā liels darba joslas platums, spēcīga paralēlās apstrādes spēja un zemi pārraides zudumi, kas varētu palīdzēt pārvarēt tradicionālo mikroviļņu sistēmu tehniskās problēmas un uzlabot militārā elektroniskā informācijas aprīkojuma, piemēram, radaru, elektroniskās karadarbības, sakaru, mērīšanas un vadības, veiktspēju. Tomēr mikroviļņu fotonu sistēmai, kuras pamatā ir diskrētas ierīces, ir dažas problēmas, piemēram, liels tilpums, smags svars un slikta stabilitāte, kas nopietni ierobežo mikroviļņu fotonu tehnoloģijas pielietojumu kosmosa un gaisa platformās. Tāpēc integrētā mikroviļņu fotonu tehnoloģija kļūst par svarīgu atbalstu, lai pārvarētu mikroviļņu fotonu pielietojumu militārajā elektroniskajā informācijas sistēmā un pilnībā izmantotu mikroviļņu fotonu tehnoloģijas priekšrocības.

Pašlaik SI bāzes fotoniskās integrācijas tehnoloģija un INP bāzes fotoniskās integrācijas tehnoloģija pēc daudzu gadu attīstības optisko sakaru jomā ir kļuvušas arvien nobriedušākas, un tirgū ir laists daudz produktu. Tomēr mikroviļņu fotonu pielietošanā šīm divām fotonu integrācijas tehnoloģijām ir dažas problēmas: piemēram, Si modulatora un InP modulatora nelineārais elektrooptiskais koeficients ir pretrunā ar mikroviļņu fotonu tehnoloģijas augsto linearitāti un lielajām dinamiskajām īpašībām; piemēram, silīcija optiskajam slēdzim, kas realizē optiskā ceļa komutāciju, neatkarīgi no tā, vai tā balstās uz termiski optisko efektu, pjezoelektrisko efektu vai nesēja injekcijas dispersijas efektu, ir problēmas ar lēnu komutācijas ātrumu, enerģijas patēriņu un siltuma patēriņu, kas neatbilst ātrās staru skenēšanas un liela mēroga mikroviļņu fotonu lietojumprogrammām.

Litija niobāts vienmēr ir bijusi pirmā izvēle ātrgaitas pieslēgumiem.elektrooptiskā modulācijamateriāli, pateicoties tā lieliskajam lineārajam elektrooptiskajam efektam. Tomēr tradicionālais litija niobātselektrooptiskais modulatorsir izgatavots no masīva litija niobāta kristāla materiāla, un ierīces izmērs ir ļoti liels, kas nevar apmierināt integrētās mikroviļņu fotonu tehnoloģijas vajadzības. Kā integrēt litija niobāta materiālus ar lineāru elektrooptisko koeficientu integrētā mikroviļņu fotonu tehnoloģijas sistēmā ir kļuvis par attiecīgo pētnieku mērķi. 2018. gadā Hārvardas Universitātes pētnieku komanda Amerikas Savienotajās Valstīs pirmo reizi ziņoja par fotoniskās integrācijas tehnoloģiju, kuras pamatā ir plānslāņa litija niobāts, žurnālā Nature. Tā kā šai tehnoloģijai ir tādas priekšrocības kā augsta integrācija, liels elektrooptiskās modulācijas joslas platums un augsta elektrooptiskā efekta linearitāte, tiklīdz tā tika ieviesta, tā nekavējoties piesaistīja akadēmisko un rūpniecisko uzmanību fotoniskās integrācijas un mikroviļņu fotonikas jomā. No mikroviļņu fotonu pielietojuma viedokļa šajā rakstā ir apskatīta plānslāņa litija niobāta fotonu integrācijas tehnoloģijas ietekme un nozīme mikroviļņu fotonu tehnoloģijas attīstībā.

Plānas plēves litija niobāta materiāls un plānā plēvelitija niobāta modulators
Pēdējo divu gadu laikā ir parādījies jauna veida litija niobāta materiāls, proti, litija niobāta plēve tiek atdalīta no masīva litija niobāta kristāla ar "jonu griešanas" metodi un savienota ar Si plāksni ar silīcija bufera slāni, veidojot LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiālu [5], ko šajā rakstā sauc par plānās plēves litija niobāta materiālu. Uz plānās plēves litija niobāta materiāliem, izmantojot optimizētu sausās kodināšanas procesu, var iegravēt kores viļņvadus ar augstumu virs 100 nanometriem, un izveidoto viļņvadu efektīvā refrakcijas indeksa starpība var sasniegt vairāk nekā 0,8 (daudz augstāka nekā tradicionālo litija niobāta viļņvadu refrakcijas indeksa starpība 0,02), kā parādīts 1. attēlā. Spēcīgi ierobežotais viļņvads atvieglo gaismas lauka saskaņošanu ar mikroviļņu lauku, projektējot modulatoru. Tādējādi ir izdevīgi sasniegt zemāku pusviļņa spriegumu un lielāku modulācijas joslas platumu īsākā garumā.

Zemu zudumu litija niobāta submikrona viļņvada parādīšanās novērš tradicionālā litija niobāta elektrooptiskā modulatora augstā piedziņas sprieguma radīto sašaurinājumu. Elektrodu atstarpi var samazināt līdz ~5 μm, un elektriskā lauka un optiskā režīma lauka pārklāšanās ievērojami palielinās, un vπ ·L samazinās no vairāk nekā 20 V·cm līdz mazāk nekā 2,8 V·cm. Tādēļ pie tāda paša pusviļņa sprieguma ierīces garumu var ievērojami samazināt salīdzinājumā ar tradicionālo modulatoru. Tajā pašā laikā, optimizējot skrejošā viļņa elektroda platuma, biezuma un intervāla parametrus, kā parādīts attēlā, modulators var nodrošināt īpaši augstu modulācijas joslas platumu, kas pārsniedz 100 GHz.

1. att. (a) aprēķinātais režīma sadalījums un (b) LN viļņvada šķērsgriezuma attēls

2. attēls (a) Viļņvada un elektroda struktūra un (b) LN modulatora pamatplāksne

Plānās plēves litija niobāta modulatoru salīdzinājums ar tradicionālajiem litija niobāta komerciālajiem modulatoriem, silīcija bāzes modulatoriem un indija fosfīda (InP) modulatoriem, kā arī citiem esošajiem ātrgaitas elektrooptiskajiem modulatoriem, galvenie salīdzinājuma parametri ietver:
(1) Pusviļņa volta garuma reizinājums (vπ ·L, V·cm), mērot modulatora modulācijas efektivitāti, jo mazāka vērtība, jo augstāka modulācijas efektivitāte;
(2) 3 dB modulācijas joslas platums (GHz), kas mēra modulatora reakciju uz augstfrekvences modulāciju;
(3) Optiskās ievietošanas zudumi (dB) modulācijas apgabalā. No tabulas var redzēt, ka plānās plēves litija niobāta modulatoram ir acīmredzamas priekšrocības modulācijas joslas platuma, pusviļņa sprieguma, optiskās interpolācijas zudumu un citu īpašību ziņā.

Silīcijs kā integrētās optoelektronikas stūrakmens ir līdz šim izstrādāts, process ir nobriedis, tā miniaturizācija veicina aktīvo/pasīvo ierīču liela mēroga integrāciju, un tā modulators ir plaši un dziļi pētīts optiskās komunikācijas jomā. Silīcija elektrooptiskās modulācijas mehānisms galvenokārt ir nesēju samazināšana, nesēju injicēšana un nesēju uzkrāšana. Starp tiem modulatora joslas platums ir optimāls ar lineārās pakāpes nesēju samazināšanas mehānismu, taču, tā kā optiskā lauka sadalījums pārklājas ar samazināšanas apgabala nevienmērīgumu, šis efekts ieviesīs nelineārus otrās kārtas kropļojumus un trešās kārtas intermodulācijas kropļojumus, kas apvienojumā ar nesēja absorbcijas efektu uz gaismu novedīs pie optiskās modulācijas amplitūdas un signāla kropļojumu samazināšanās.

InP modulatoram piemīt izcili elektrooptiskie efekti, un daudzslāņu kvantu aku struktūra var realizēt īpaši augstas ātruma un zemas vadības sprieguma modulatorus ar Vπ·L līdz 0,156 V · mm. Tomēr refrakcijas indeksa izmaiņas atkarībā no elektriskā lauka ietver lineārus un nelineārus terminus, un elektriskā lauka intensitātes palielināšanās padarīs otrās kārtas efektu izteiktāku. Tāpēc silīcija un InP elektrooptiskajiem modulatoriem, darbojoties, ir jāpielieto nobīde, lai veidotu pn pāreju, un pn pāreja radīs gaismas absorbcijas zudumus. Tomēr šo divu modulatoru izmērs ir mazs, komerciālā InP modulatora izmērs ir 1/4 no LN modulatora. Augsta modulācijas efektivitāte, piemērota augsta blīvuma un īsa attāluma digitālajiem optiskajiem pārraides tīkliem, piemēram, datu centriem. Litija niobāta elektrooptiskajam efektam nav gaismas absorbcijas mehānisma un ir zemi zudumi, kas ir piemēroti tālsatiksmes koherentai pārraidei.optiskā komunikācijaar lielu jaudu un lielu ātrumu. Mikroviļņu fotonu pielietojumā Si un InP elektrooptiskie koeficienti ir nelineāri, kas nav piemērots mikroviļņu fotonu sistēmai, kurai ir nepieciešama augsta linearitāte un liela dinamika. Litija niobāta materiāls ir ļoti piemērots mikroviļņu fotonu pielietojumam, pateicoties tā pilnīgi lineārajam elektrooptiskajam modulācijas koeficientam.