A vékonyréteg -lítium -niobát előnyei és jelentősége az integrált mikrohullámú fotontechnológiában
Mikrohullámú fotontechnikaA nagy működő sávszélesség, az erős párhuzamos feldolgozási képesség és az alacsony átviteli veszteség előnyei vannak, amelyek megszakíthatják a hagyományos mikrohullámú rendszer műszaki szűk keresztmetszetét, és javíthatják a katonai elektronikus információs berendezések, például a radar, az elektronikus hadviselés, a kommunikáció és a mérés és az irányítás teljesítményét. A diszkrét eszközökön alapuló mikrohullámú fotonrendszernek azonban vannak bizonyos problémái, mint például a nagy mennyiség, a nehéz súly és a rossz stabilitás, amelyek súlyosan korlátozzák a mikrohullámú fotontechnika alkalmazását az űrben és a levegőben lévő platformon. Ezért az integrált mikrohullámú fotontechnika fontos támogatást jelent a mikrohullámú foton alkalmazásának megtöréséhez a katonai elektronikus információs rendszerben, és teljes játékot ad a mikrohullámú fotontechnika előnyeihez.
Jelenleg az SI-alapú fotonikus integrációs technológia és az INP-alapú fotonikus integrációs technológia egyre érettebbé vált az optikai kommunikáció területén végzett évekig tartó fejlődés után, és sok terméket kerültek a piacra. A mikrohullámú foton alkalmazásához azonban vannak bizonyos problémák e kétféle fotonintegrációs technológiában: például az SI modulátor és az INP modulátor nemlineáris elektro-optikai együtthatója ellentétes a nagy linearitással és a mikrohullámú fotontechnika által alkalmazott nagy dinamikus tulajdonságokkal; Például a szilícium optikai kapcsoló, amely felismeri az optikai útváltást, akár termikus optikai hatás, piezoelektromos hatás vagy hordozó befecskendezési diszperziós hatás alapján, a lassú kapcsolási sebesség, az energiafogyasztás és a hőfogyasztás problémái vannak, amelyek nem felelnek meg a gyors sugár szkennelésnek és a nagy tömb méretarányú mikrohullámú foton alkalmazásoknak.
A lítium -niobát mindig is volt az első választás a nagy sebességgelelektrooptikai modulációAnyagok kiváló lineáris elektro-optikai hatása miatt. A hagyományos lítium -niobát azonbanelektro-optikai modulátorhatalmas lítium -niobát kristály anyagból készül, és az eszköz mérete nagyon nagy, amely nem felel meg az integrált mikrohullámú fotontechnika igényeinek. Hogyan integrálhatjuk a lítium-niobát anyagokat a lineáris elektro-optikai együtthatóval az integrált mikrohullámú fotontechnológiai rendszerbe, és a releváns kutatók célja lett. 2018-ban az Egyesült Államok Harvard Egyetemen végzett kutatócsoport először a vékonyrétegű lítium-niobáton alapuló fotonikus integrációs technológiáról számolt be, mivel a technológiának a nagy integráció, a nagy elektro-optikai modulációs sávszélesség és az elektrooptikai hatás nagy linearitásának és a mikroháros fotonikus hatásainak nagy linearitásának előnyei. A mikrohullámú foton alkalmazás szempontjából ez a cikk áttekinti a fotonintegrációs technológia befolyását és jelentőségét a vékony fóliós lítium -niobát alapján a mikrohullámú fotontechnika fejlesztésében.
Vékony fóliós lítium -niobate anyag és vékonyréteglítium -niobát modulátor
In recent two years, a new type of lithium niobate material has emerged, that is, the lithium niobate film is exfoliated from the massive lithium niobate crystal by the method of “ion slicing” and bonded to the Si wafer with a silica buffer layer to form LNOI (LiNbO3-On-Insulator) material [5], which is called thin film lithium niobate material in this paper. A több mint 100 nanométer magasságú gerinc hullámvezetői vékony fóliákon marathatók optimalizált, száraz maratási eljárással, és a képződött hullámvezetők tényleges törésmutatói különbsége több mint 0,8 -at érhet el (jóval magasabb a tradicionális lítium -niobát -hullámvezető, az 1. ábrán látható. A modulátor tervezése. Így hasznos az alacsonyabb félhullámú feszültség és a nagyobb modulációs sávszélesség elérése rövidebb hosszúságon.
Az alacsony veszteségű lítium-niobát szubmikron hullámvezető megjelenése megszakítja a hagyományos lítium-niobát-elektro-optikai modulátor magas hajtási feszültségének szűk keresztmetszetét. Az elektróda távolsága ~ 5 μm -re csökkenthető, és az elektromos mező és az optikai üzemmód mező közötti átfedés jelentősen megnövekszik, és a Vπ · L több mint 20 V · cm -ről kevesebb, mint 2,8 V · cm -re csökken. Ezért ugyanazon félhullámú feszültség alatt az eszköz hossza jelentősen csökkenthető a hagyományos modulátorhoz képest. Ugyanakkor, miután optimalizálták az utazóhullám-elektród szélességének, vastagságának és intervallumának paramétereit, amint az az ábrán látható, a modulátor képes lehet ultra-magas modulációs sávszélességet meghaladni, mint 100 GHz.
1. ábra （A） kiszámított üzemmód eloszlás és （B） Az LN hullámvezető keresztmetszetének képe
2. ábra （A） Hullámvezető és elektróda szerkezete és （B kett, az LN modulátor alaplemeze
A vékonyrétegű lítium-niobát modulátorok összehasonlítása a hagyományos lítium-niobát kereskedelmi modulátorokkal, a szilícium-alapú modulátorokkal és az indium-foszfid (INP) modulátorokkal és más meglévő nagysebességű elektro-optikai modulátorokkal, az összehasonlítás fő paraméterei:
(1) félhullámú feszültségű termék (vπ · l, v · cm), mérve a modulátor modulációs hatékonyságát, annál kisebb az érték, annál nagyobb a modulációs hatékonyság;
(2) 3 dB modulációs sávszélesség (GHz), amely méri a modulátor válaszát a nagyfrekvenciás modulációra;
(3) Optikai beillesztési veszteség (DB) a modulációs régióban. Az asztalból látható, hogy a vékony film-lítium-niobát modulátornak nyilvánvaló előnyei vannak a modulációs sávszélességben, a félhullámú feszültségben, az optikai interpolációs veszteségben és így tovább.
A szilíciumot, mint az integrált optoelektronika sarokkövét, eddig fejlesztették ki, a folyamat érett, miniatürizációja elősegíti az aktív/passzív eszközök nagyszabású integrációját, és modulátorát széles körben és mélyen tanulmányozták az optikai kommunikáció területén. A szilícium elektro-optikai modulációs mechanizmusa elsősorban a hordozó belemerülése, a hordozó befecskendezése és a hordozó felhalmozódása. Közülük a modulátor sávszélessége optimális a lineáris fokú hordozó kimerülési mechanizmusával, de mivel az optikai mező eloszlása átfedésben van a kimerülési régió nem egyenletességével, ez a hatás nemlineáris másodrendű torzulást és harmadik rendű intermodulációs torzítási kifejezéseket vezet be, összekapcsolva a hordozó abszorpciós hatását a fényen a fényen, amely a redukcióhoz vezet.
Az INP modulátor kiemelkedő elektro-optikai effektusokkal rendelkezik, és a többrétegű kvantumkút szerkezete az ultra-magas sebességet és az alacsony vezetési feszültség-modulátorokat képes megvalósítani, amelyek Vπ · L-vel 0,156 V · mm-ig. A törésmutató variációja azonban az elektromos mezővel lineáris és nemlineáris kifejezéseket tartalmaz, és az elektromos mező intenzitásának növekedése a másodrendű hatást kiemelkedővé teszi. Ezért a szilíciumnak és az INP elektro-optikai modulátoroknak torzítást kell alkalmazniuk a PN csomópont kialakításához, amikor munkájuk során, és a PN csomópont az abszorpciós veszteséget eredményezi. Ennek a kettőnek a modulátor mérete azonban kicsi, a kereskedelmi INP modulátor mérete az LN modulátor 1/4. Nagy modulációs hatékonyság, nagy sűrűségű és rövid távolságú digitális optikai átviteli hálózatokhoz, például adatközpontokhoz. A lítium-niobát elektro-optikai hatása nem rendelkezik fényelnyelés mechanizmusával és alacsony veszteségével, ami alkalmas a távolsági koherensreoptikai kommunikációnagy kapacitással és magas sebességgel. A mikrohullámú foton alkalmazásban az SI és az INP elektro-optikai együtthatói nemlineáris, ami nem alkalmas a mikrohullámú fotonrendszerre, amely nagy linearitást és nagy dinamikát követ el. A lítium-niobát anyag nagyon alkalmas mikrohullámú foton alkalmazáshoz, mivel teljesen lineáris elektrooptikai modulációs együtthatója.
A postai idő: április-22-2024