Vékony film lítium-niobát anyag és vékony film lítium-niobát modulátor

A vékonyréteg-lítium-niobát előnyei és jelentősége az integrált mikrohullámú fotontechnológiában

Mikrohullámú foton technológiaElőnyei a nagy munkasávszélesség, az erős párhuzamos feldolgozási képesség és az alacsony átviteli veszteség, ami képes megtörni a hagyományos mikrohullámú rendszerek műszaki szűk keresztmetszetét, és javítani a katonai elektronikus információs berendezések, például radar, elektronikus hadviselés, kommunikáció és mérés, valamint ellenőrzés. A különálló eszközökön alapuló mikrohullámú fotonrendszernek azonban vannak olyan problémái, mint a nagy térfogat, a nagy tömeg és a rossz stabilitás, amelyek súlyosan korlátozzák a mikrohullámú fotontechnológia alkalmazását az űrben és a légi platformokon. Ezért az integrált mikrohullámú fotontechnológia fontos támasztékává válik a mikrohullámú fotonok katonai elektronikus információs rendszerekben való alkalmazásának megszakításában, és teljes mértékben kihasználja a mikrohullámú fotontechnológia előnyeit.

Jelenleg az SI-alapú fotonikus integrációs technológia és az INP-alapú fotonikus integrációs technológia az optikai kommunikáció területén folytatott évek fejlesztése után egyre érettebbé vált, és sok termék került forgalomba. A mikrohullámú fotonok alkalmazása során azonban van néhány probléma ebben a kétféle fotonintegrációs technológiában: például a Si modulátor és az InP modulátor nemlineáris elektro-optikai együtthatója ellentétes a mikrohullám által követett nagy linearitás és nagy dinamikus jellemzőkkel. foton technológia; Például az optikai útváltást megvalósító szilícium optikai kapcsolónak, akár termikus-optikai hatáson, piezoelektromos effektuson vagy hordozó-injektálási diszperziós hatáson alapul, a lassú kapcsolási sebesség, az energiafogyasztás és a hőfogyasztás problémái vannak, amelyek nem felelnek meg a gyorsnak. nyaláb-szkennelés és nagy méretű mikrohullámú foton alkalmazások.

A lítium-niobát mindig is az első választás volt a nagy sebességhezelektro-optikai modulációkiváló lineáris elektrooptikai hatása miatt. Azonban a hagyományos lítium-niobátelektro-optikai modulátormasszív lítium-niobát kristály anyagból készült, és az eszköz mérete nagyon nagy, ami nem felel meg az integrált mikrohullámú foton technológia igényeinek. Az érintett kutatók célja a lineáris elektro-optikai együtthatóval rendelkező lítium-niobát anyagok integrálása az integrált mikrohullámú fotontechnológiai rendszerbe. Az egyesült államokbeli Harvard Egyetem kutatócsoportja 2018-ban számolt be először a vékonyréteg-lítium-niobáton alapuló fotonikus integrációs technológiáról a Nature-ben, mivel a technológia előnyei a magas integráció, a nagy elektro-optikai modulációs sávszélesség és az elektro nagy linearitása. -optikai effektus, elindítása után azonnal felkeltette a tudományos és ipari figyelmet a fotonikus integráció és a mikrohullámú fotonika területén. A mikrohullámú fotonalkalmazás szempontjából ez a cikk áttekinti a vékonyréteg-lítium-niobáton alapuló fotonintegrációs technológia hatását és jelentőségét a mikrohullámú fotontechnológia fejlődésére.

Vékony film lítium-niobát anyag és vékony filmlítium-niobát modulátor
Az elmúlt két évben egy új típusú lítium-niobát anyag jelent meg, vagyis a lítium-niobát filmet „ionszeletelés” módszerrel lefejtik a masszív lítium-niobát kristályról, és szilícium-dioxid pufferréteggel a Si ostyához kötik. LNOI (LiNbO3-On-Insulator) anyagot [5] alkotnak, amelyet ebben a cikkben vékonyrétegű lítium-niobát anyagnak neveznek. A 100 nanométernél nagyobb magasságú gerinchullámvezetők vékonyrétegű lítium-niobát anyagokra marathatók optimalizált száraz maratási eljárással, és a kialakított hullámvezetők effektív törésmutató-különbsége elérheti a 0,8-at is (a hagyományos törésmutató-különbségnél jóval magasabb). 0,02 lítium-niobát hullámvezetők), amint az 1. ábrán látható. Az erősen korlátozott hullámvezető megkönnyíti a fénytér és a mikrohullámú tér összehangolását a modulátor tervezésekor. Így előnyös az alacsonyabb félhullám feszültség és nagyobb modulációs sávszélesség elérése rövidebb hosszon.

Az alacsony veszteségű lítium-niobát szubmikron hullámvezető megjelenése megtöri a hagyományos lítium-niobát elektrooptikai modulátor magas hajtási feszültségének szűk keresztmetszetét. Az elektródák távolsága ~ 5 μm-re csökkenthető, és az elektromos mező és az optikai módusú mező közötti átfedés jelentősen megnő, és a vπ ·L több mint 20 V·cm-ről 2,8 V·cm alá csökken. Ezért ugyanazon félhullámú feszültség mellett az eszköz hossza jelentősen csökkenthető a hagyományos modulátorhoz képest. Ugyanakkor a haladó hullám elektróda szélességének, vastagságának és intervalluma paramétereinek optimalizálása után, amint az az ábrán látható, a modulátor 100 GHz-nél nagyobb, ultra-nagy modulációs sávszélességre is képes lehet.

1. ábra （a） számított üzemmód-eloszlás és （b） képe az LN hullámvezető keresztmetszetéről

2. ábra （a) Hullámvezető és elektróda felépítése és （b) LN modulátor maglemeze

A vékonyrétegű lítium-niobát modulátorok összehasonlítása hagyományos lítium-niobát modulátorokkal, szilícium alapú modulátorokkal és indium-foszfid (InP) modulátorokkal és más meglévő nagy sebességű elektro-optikai modulátorokkal, az összehasonlítás fő paraméterei a következők:
(1) Félhullám volt-hosszszorzat (vπ ·L, V·cm), a modulátor modulációs hatásfokát mérve minél kisebb az érték, annál nagyobb a modulációs hatásfok;
(2) 3 dB modulációs sávszélesség (GHz), amely a modulátor nagyfrekvenciás modulációra adott válaszát méri;
(3) Optikai beillesztési veszteség (dB) a modulációs tartományban. A táblázatból látható, hogy a vékony film lítium-niobát modulátor nyilvánvaló előnyökkel rendelkezik a modulációs sávszélesség, a félhullám feszültség, az optikai interpolációs veszteség és így tovább.

A szilícium, mint az integrált optoelektronika sarokköve, eddig kidolgozott, a folyamat kiforrott, miniatürizálása alkalmas az aktív/passzív eszközök nagyszabású integrációjára, modulátorát pedig széles körben és mélyen tanulmányozták az optikai területen. kommunikáció. A szilícium elektro-optikai modulációs mechanizmusa főként a hordozó kimerülése, a hordozó befecskendezése és a hordozó felhalmozódása. Közülük a modulátor sávszélessége optimális a lineáris fokú vivőkimerülési mechanizmus mellett, de mivel az optikai téreloszlás átfedésben van a kimerülési tartomány egyenetlenségével, ez a hatás nemlineáris másodrendű torzítást és harmadrendű intermodulációs torzítást okoz. kifejezések, párosulva a vivőnek a fényre gyakorolt ​​abszorpciós hatásával, ami az optikai modulációs amplitúdó és a jeltorzítás csökkenéséhez vezet.

Az InP modulátor kiemelkedő elektro-optikai hatásokkal rendelkezik, és a többrétegű kvantumkút-struktúra ultra-nagy sebességű és alacsony hajtási feszültségű modulátorokat képes megvalósítani Vπ·L-ig 0,156 V · mm-ig. A törésmutató elektromos térrel való változása azonban lineáris és nemlineáris tagokat is tartalmaz, és az elektromos tér intenzitásának növekedése kiemeli a másodrendű hatást. Ezért a szilícium és az InP elektrooptikai modulátoroknak előfeszítést kell alkalmazniuk, hogy pn átmenetet képezzenek, amikor működnek, és a pn átmenet fényelnyelési veszteséget hoz létre. Ennek a kettőnek a modulátor mérete azonban kicsi, a kereskedelmi InP modulátor mérete az LN modulátor 1/4-e. Magas modulációs hatékonyság, alkalmas nagy sűrűségű és kis távolságú digitális optikai átviteli hálózatokhoz, például adatközpontokhoz. A lítium-niobát elektro-optikai hatása nem rendelkezik fényelnyelő mechanizmussal és alacsony veszteséggel, amely alkalmas hosszú távú koherensreoptikai kommunikációnagy kapacitással és nagy sebességgel. A mikrohullámú foton alkalmazásban a Si és InP elektro-optikai együtthatói nemlineárisak, ami nem alkalmas a nagy linearitást és nagy dinamikát követő mikrohullámú fotonrendszerhez. A lítium-niobát anyag teljesen lineáris elektro-optikai modulációs együtthatója miatt nagyon alkalmas mikrohullámú foton alkalmazásra.