A vékonyrétegű lítium-niobát előnyei és jelentősége az integrált mikrohullámú fotontechnológiában
Mikrohullámú foton technológiaelőnye a nagy sávszélesség, az erős párhuzamos feldolgozási képesség és az alacsony átviteli veszteség, amivel áthidalható a hagyományos mikrohullámú rendszerek technikai szűk keresztmetszete, és javítható a katonai elektronikus információs berendezések, például a radarok, az elektronikus hadviselés, a kommunikáció, valamint a mérés és irányítás teljesítménye. A diszkrét eszközökön alapuló mikrohullámú fotonrendszernek azonban vannak problémái, mint például a nagy térfogat, a nehéz súly és a gyenge stabilitás, amelyek komolyan korlátozzák a mikrohullámú fotontechnológia alkalmazását az űrben és a levegőben lévő platformokon. Ezért az integrált mikrohullámú fotontechnológia fontos támogatást nyújt a mikrohullámú foton katonai elektronikus információs rendszerekben való alkalmazásának áthidalásában, és a mikrohullámú fotontechnológia előnyeinek teljes kihasználásában.
Jelenleg az SI-alapú fotonikus integrációs technológia és az INP-alapú fotonikus integrációs technológia egyre érettebbé vált az optikai kommunikáció területén elért éveknyi fejlesztésnek köszönhetően, és számos termék került forgalomba. A mikrohullámú foton alkalmazása terén azonban vannak problémák e kétféle fotonintegrációs technológiával: például a Si modulátor és az InP modulátor nemlineáris elektrooptikai együtthatója ellentétes a mikrohullámú fotontechnológia által követett magas linearitással és nagy dinamikus jellemzőkkel; Például az optikai útvonalváltást megvalósító szilícium optikai kapcsoló, akár termikus-optikai hatáson, piezoelektromos hatáson vagy vivőbefecskendezési diszperziós hatáson alapul, az alacsony kapcsolási sebesség, az energiafogyasztás és a hőfogyasztás problémáival küzd, amelyek nem tudják kielégíteni a gyors nyalábszkennelési és nagyméretű mikrohullámú fotonalkalmazások igényeit.
A lítium-niobát mindig is az elsődleges választás volt a nagy sebességű alkalmazásokhoz.elektrooptikai modulációanyagok kiváló lineáris elektrooptikai hatása miatt. A hagyományos lítium-niobát azonbanelektrooptikai modulátormasszív lítium-niobát kristályanyagból készül, és az eszköz mérete nagyon nagy, ami nem tudja kielégíteni az integrált mikrohullámú fotontechnológia igényeit. A releváns kutatók célja az lett, hogy hogyan lehet lineáris elektrooptikai együtthatójú lítium-niobát anyagokat integrálni az integrált mikrohullámú fotontechnológiai rendszerbe. 2018-ban az Egyesült Államokbeli Harvard Egyetem kutatócsoportja elsőként számolt be a vékonyréteg-lítium-niobáton alapuló fotonintegrációs technológiáról a Nature magazinban. Mivel a technológia előnyei a magas integráció, a nagy elektrooptikai modulációs sávszélesség és az elektrooptikai hatás magas linearitásával járnak, bevezetése után azonnal felkeltette az akadémiai és ipari figyelmet a fotonikus integráció és a mikrohullámú fotonika területén. A mikrohullámú fotonalkalmazások szempontjából ez a tanulmány a vékonyréteg-lítium-niobáton alapuló fotonintegrációs technológia hatását és jelentőségét tekinti át a mikrohullámú fotontechnológia fejlődésére.
Vékonyrétegű lítium-niobát anyag és vékonyréteglítium-niobát modulátor
Az elmúlt két évben egy új típusú lítium-niobát anyag jelent meg, nevezetesen, amikor a lítium-niobát filmet „ionszeletelés” módszerével választják le a masszív lítium-niobát kristályról, és egy szilícium-dioxid pufferréteggel kötik a Si lapkához, így LNOI (LiNbO3-On-Insulator) anyagot képezve [5], amelyet ebben a cikkben vékonyrétegű lítium-niobát anyagnak nevezünk. Optimalizált száraz maratási eljárással 100 nanométernél magasabb gerinchullámvezetők marathatók vékonyrétegű lítium-niobát anyagokra, és a képződött hullámvezetők effektív törésmutató-különbsége elérheti a 0,8-at is (messze magasabb, mint a hagyományos lítium-niobát hullámvezetők 0,02-es törésmutató-különbsége), ahogy az az 1. ábrán is látható. Az erősen korlátozott hullámvezető megkönnyíti a fénytér és a mikrohullámú tér összehangolását a modulátor tervezésekor. Így előnyös alacsonyabb félhullámú feszültséget és nagyobb modulációs sávszélességet elérni rövidebb hosszúságban.
Az alacsony veszteségű lítium-niobát szubmikron hullámvezető megjelenése áttöri a hagyományos lítium-niobát elektrooptikai modulátorok nagy meghajtófeszültségének szűk keresztmetszetét. Az elektróda távolsága ~ 5 μm-re csökkenthető, az elektromos tér és az optikai módustér átfedése jelentősen megnő, a vπ ·L pedig több mint 20 V·cm-ről 2,8 V·cm alá csökken. Ezért azonos félhullámú feszültség mellett az eszköz hossza jelentősen csökkenthető a hagyományos modulátorhoz képest. Ugyanakkor, a haladóhullámú elektróda szélességének, vastagságának és intervallumának paramétereinek optimalizálása után, amint az ábrán látható, a modulátor képes lehet 100 GHz-nél nagyobb ultramagas modulációs sávszélesség elérésére.
1. ábra (a) a számított móduseloszlás és (b) az LN hullámvezető keresztmetszetének képe
2. ábra (a) Hullámvezető és elektróda szerkezet és (b) LN modulátor maglemez
A vékonyrétegű lítium-niobát modulátorok összehasonlítása a hagyományos kereskedelmi forgalomban kapható lítium-niobát modulátorokkal, szilícium alapú modulátorokkal és indium-foszfid (InP) modulátorokkal, valamint más meglévő nagysebességű elektrooptikai modulátorokkal, az összehasonlítás fő paraméterei a következők:
(1) A félhullámú volthossz-szorzat (vπ ·L, V·cm), amely a modulátor modulációs hatékonyságát méri, minél kisebb az érték, annál nagyobb a modulációs hatékonyság;
(2) 3 dB modulációs sávszélesség (GHz), amely a modulátor nagyfrekvenciás modulációra adott válaszát méri;
(3) Optikai beiktatási veszteség (dB) a modulációs tartományban. A táblázatból látható, hogy a vékonyrétegű lítium-niobát modulátornak nyilvánvaló előnyei vannak a modulációs sávszélesség, a félhullámú feszültség, az optikai interpolációs veszteség és így tovább tekintetében.
A szilícium, mint az integrált optoelektronika sarokköve, mára kifejlesztésre került, a folyamat kiforrott, miniatürizálása elősegíti az aktív/passzív eszközök nagyméretű integrációját, modulátorát pedig széles körben és mélyrehatóan tanulmányozták az optikai kommunikáció területén. A szilícium elektrooptikai modulációs mechanizmusa főként a vivőkimerülés, a vivőbefecskendezés és a vivőakkumuláció. Ezek közül a modulátor sávszélessége optimális a lineáris fokú vivőkimerülési mechanizmussal, de mivel az optikai téreloszlás átfedésben van a kimerülési tartomány nem egyenletességével, ez a hatás nemlineáris másodrendű torzítást és harmadrendű intermodulációs torzítási tagokat vezet be, párosulva a vivő fényre gyakorolt abszorpciós hatásával, ami az optikai modulációs amplitúdó és a jel torzulásának csökkenéséhez vezet.
Az InP modulátor kiemelkedő elektrooptikai hatásokkal rendelkezik, és a többrétegű kvantumkút-szerkezet ultra-nagy sebességű és alacsony meghajtófeszültségű modulátorokat valósíthat meg akár 0,156 V · mm-es Vπ·L értékkel. A törésmutató elektromos térrel való változása azonban lineáris és nemlineáris tagokat is magában foglal, és az elektromos térerősség növekedése a másodrendű hatást teszi hangsúlyossá. Ezért a szilícium és az InP elektrooptikai modulátoroknak előfeszítést kell alkalmazniuk a pn-átmenet kialakításához működés közben, és a pn-átmenet abszorpciós veszteséget okoz a fényben. E két modulátor mérete azonban kicsi, a kereskedelmi forgalomban kapható InP modulátor mérete az LN modulátor 1/4-e. Magas modulációs hatékonyság, alkalmas nagy sűrűségű és rövid távolságú digitális optikai átviteli hálózatokhoz, például adatközpontokhoz. A lítium-niobát elektrooptikai hatása nem rendelkezik fényelnyelés mechanizmussal és alacsony veszteséggel, ami alkalmas nagy távolságú koherens modulációkhoz.optikai kommunikációnagy kapacitással és nagy sebességgel. A mikrohullámú fotonalkalmazásokban a Si és az InP elektrooptikai együtthatói nemlineárisak, ami nem alkalmas a nagy linearitást és nagy dinamikát igénylő mikrohullámú fotonrendszerekhez. A lítium-niobát anyag a teljesen lineáris elektrooptikai modulációs együtthatója miatt nagyon alkalmas mikrohullámú fotonalkalmazásokra.
Közzététel ideje: 2024. április 22.