Plānas kārtiņas litija niobāta priekšrocības un nozīme integrētajā mikroviļņu fotonu tehnoloģijā
Mikroviļņu fotonu tehnoloģijatam ir liela darba joslas platuma, spēcīgas paralēlās apstrādes spējas un zemu pārraides zudumu priekšrocības, kas var izjaukt tradicionālās mikroviļņu sistēmas tehniskos šķēršļus un uzlabot militārās elektroniskās informācijas aprīkojuma, piemēram, radara, elektroniskā kara, sakaru un mērīšanas, veiktspēju. kontrole. Tomēr mikroviļņu fotonu sistēmai, kuras pamatā ir atsevišķas ierīces, ir dažas problēmas, piemēram, liels tilpums, liels svars un slikta stabilitāte, kas nopietni ierobežo mikroviļņu fotonu tehnoloģijas izmantošanu kosmosa un gaisa platformās. Tāpēc integrētā mikroviļņu fotonu tehnoloģija kļūst par svarīgu atbalstu, lai pārtrauktu mikroviļņu fotonu pielietojumu militārajā elektroniskajā informācijas sistēmā un pilnībā izmantotu mikroviļņu fotonu tehnoloģijas priekšrocības.
Pašlaik uz SI balstīta fotoniskās integrācijas tehnoloģija un uz INP balstīta fotoniskās integrācijas tehnoloģija pēc gadiem ilgas attīstības optiskās komunikācijas jomā ir kļuvušas arvien nobriedušākas, un tirgū ir laisti daudzi produkti. Tomēr mikroviļņu fotonu pielietošanai ir dažas problēmas šajos divu veidu fotonu integrācijas tehnoloģijās: piemēram, Si modulatora un InP modulatora nelineārais elektrooptiskais koeficients ir pretrunā ar mikroviļņu augsto linearitāti un lielajām dinamiskajām īpašībām. fotonu tehnoloģija; Piemēram, silīcija optiskajam slēdzim, kas realizē optiskā ceļa pārslēgšanu neatkarīgi no tā, vai tā pamatā ir termiski optiskais efekts, pjezoelektriskais efekts vai nesēja iesmidzināšanas dispersijas efekts, ir problēmas ar lēnu pārslēgšanas ātrumu, enerģijas patēriņu un siltuma patēriņu, kas nevar apmierināt ātru staru skenēšana un liela masīva mēroga mikroviļņu fotonu lietojumprogrammas.
Litija niobāts vienmēr ir bijis pirmā izvēle lielam ātrumamelektrooptiskā modulācijamateriāliem, pateicoties tā lieliskā lineārā elektrooptiskā efekta dēļ. Tomēr tradicionālais litija niobātselektrooptiskais modulatorsir izgatavots no masīva litija niobāta kristāla materiāla, un ierīces izmērs ir ļoti liels, kas neatbilst integrētās mikroviļņu fotonu tehnoloģijas vajadzībām. Kā integrēt litija niobāta materiālus ar lineāru elektrooptisko koeficientu integrētajā mikroviļņu fotonu tehnoloģiju sistēmā ir kļuvis par attiecīgo pētnieku mērķi. 2018. gadā pētnieku grupa no Hārvarda universitātes ASV pirmo reizi ziņoja par fotoniskās integrācijas tehnoloģiju, kuras pamatā ir plānslāņa litija niobāts dabā, jo šai tehnoloģijai ir augsta integrācija, liels elektrooptiskās modulācijas joslas platums un augsta elektromagnētiskā linearitāte. -optiskais efekts, kad tas tika palaists, tas nekavējoties izraisīja akadēmisko un rūpniecisko uzmanību fotoniskās integrācijas un mikroviļņu fotonikas jomā. No mikroviļņu fotonu pielietojuma viedokļa šajā rakstā ir apskatīta fotonu integrācijas tehnoloģijas, kuras pamatā ir plānslāņa litija niobāts, ietekme un nozīme mikroviļņu fotonu tehnoloģijas attīstībā.
Plānas plēves litija niobāta materiāls un plāna plēvelitija niobāta modulators
Pēdējos divos gados ir parādījies jauna veida litija niobāta materiāls, tas ir, litija niobāta plēve tiek nolobīta no masīvā litija niobāta kristāla ar “jonu sagriešanas” metodi un savienota ar Si plāksni ar silīcija dioksīda bufera slāni, lai. veido LNOI (LiNbO3-On-Izolator) materiālu [5], ko šajā rakstā sauc par plānslāņa litija niobāta materiālu. Ridge viļņvadus, kuru augstums pārsniedz 100 nanometrus, var iegravēt uz plānas kārtiņas litija niobāta materiāliem, izmantojot optimizētu sauso kodināšanas procesu, un izveidoto viļņvadu efektīvā refrakcijas indeksa atšķirība var sasniegt vairāk nekā 0,8 (daudz augstāka par tradicionālo refrakcijas indeksa starpību). litija niobāta viļņvadi ar 0,02), kā parādīts 1. attēlā. Stingri ierobežotais viļņvads ļauj vieglāk saskaņot gaismas lauku ar mikroviļņu lauku, izstrādājot modulatoru. Tādējādi ir izdevīgi sasniegt zemāku pusviļņa spriegumu un lielāku modulācijas joslas platumu īsākā garumā.
Zema zuduma litija niobāta submikronu viļņvada parādīšanās pārtrauc tradicionālā litija niobāta elektrooptiskā modulatora augsta piedziņas sprieguma sašaurinājumu. Elektrodu atstarpi var samazināt līdz ~ 5 μm, un pārklāšanās starp elektrisko lauku un optiskā režīma lauku ir ievērojami palielināta, un vπ · L samazinās no vairāk nekā 20 V · cm līdz mazāk nekā 2, 8 V · cm. Tāpēc ar tādu pašu pusviļņu spriegumu ierīces garumu var ievērojami samazināt, salīdzinot ar tradicionālo modulatoru. Tajā pašā laikā pēc virzošā viļņa elektroda platuma, biezuma un intervāla parametru optimizēšanas, kā parādīts attēlā, modulatoram var būt īpaši augsta modulācijas joslas platuma iespēja, kas lielāka par 100 GHz.
1. att. （a) aprēķinātais režīmu sadalījums un LN viļņvada šķērsgriezuma attēls (b)
2. att. （a) viļņvada un elektrodu struktūra un (b) LN modulatora serdeņa plāksne
Plānas plēves litija niobāta modulatoru salīdzinājums ar tradicionālajiem litija niobāta komerciālajiem modulatoriem, silīcija bāzes modulatoriem un indija fosfīda (InP) modulatoriem un citiem esošajiem ātrgaitas elektrooptiskajiem modulatoriem, salīdzinājuma galvenie parametri ir:
(1) Pusviļņa voltgaruma reizinājums (vπ ·L, V·cm), mērot modulatora modulācijas efektivitāti, jo mazāka vērtība, jo lielāka modulācijas efektivitāte;
(2) 3 dB modulācijas joslas platums (GHz), kas mēra modulatora reakciju uz augstfrekvences modulāciju;
(3) Optiskās ievietošanas zudums (dB) modulācijas reģionā. No tabulas var redzēt, ka plānās kārtiņas litija niobāta modulatoram ir acīmredzamas priekšrocības modulācijas joslas platumā, pusviļņa spriegumā, optiskās interpolācijas zudumā un tā tālāk.
Silīcijs kā integrētās optoelektronikas stūrakmens ir izstrādāts līdz šim, process ir nobriedis, tā miniaturizācija veicina liela mēroga aktīvo/pasīvo ierīču integrāciju, un tā modulators ir plaši un dziļi pētīts optiskās jomā. komunikācija. Silīcija elektrooptiskās modulācijas mehānisms galvenokārt ir nesēja iztukšošana, nesēja iesmidzināšana un nesēja uzkrāšanās. Starp tiem modulatora joslas platums ir optimāls ar lineārās pakāpes nesēja izsīkuma mehānismu, bet, tā kā optiskā lauka sadalījums pārklājas ar izsīkuma apgabala nevienmērību, šis efekts radīs nelineārus otrās kārtas kropļojumus un trešās kārtas intermodulācijas kropļojumus. termini, kopā ar nesēja absorbcijas efektu uz gaismu, kas novedīs pie optiskās modulācijas amplitūdas un signāla kropļojumu samazināšanās.
InP modulatoram ir izcili elektrooptiskie efekti, un daudzslāņu kvantu akas struktūra var realizēt īpaši liela ātruma un zema piedziņas sprieguma modulatorus ar Vπ·L līdz 0,156 V · mm. Tomēr refrakcijas indeksa izmaiņas ar elektrisko lauku ietver lineārus un nelineārus terminus, un elektriskā lauka intensitātes palielināšanās padarīs otrās kārtas efektu ievērojamu. Tāpēc silīcija un InP elektrooptiskajiem modulatoriem ir jāpiemēro novirze, lai veidotu pn savienojumu, kad tie darbojas, un pn pāreja parādīs absorbcijas zudumus. Tomēr šo divu modulatora izmērs ir mazs, komerciālā InP modulatora izmērs ir 1/4 no LN modulatora. Augsta modulācijas efektivitāte, piemērota augsta blīvuma un neliela attāluma ciparu optiskās pārraides tīkliem, piemēram, datu centriem. Litija niobāta elektrooptiskajam efektam nav gaismas absorbcijas mehānisma un zemu zudumu, kas ir piemērots liela attāluma koherentam.optiskā komunikācijaar lielu ietilpību un augstu ātrumu. Mikroviļņu fotonu pielietojumā Si un InP elektrooptiskie koeficienti ir nelineāri, kas nav piemēroti mikroviļņu fotonu sistēmai, kurai ir augsta linearitāte un liela dinamika. Litija niobāta materiāls ir ļoti piemērots mikroviļņu fotonu pielietošanai, jo tam ir pilnībā lineārs elektrooptiskās modulācijas koeficients.
Publicēšanas laiks: 22.04.2024