Предности и значај танкослојног литијум ниобата у интегрисаној микроталасној фотонској технологији
Микроталасна фотонска технологијаима предности великог радног пропусног опсега, јаке способности паралелне обраде и малог губитка преноса, што има потенцијал да разбије техничко уско грло традиционалног микроталасног система и побољша перформансе војне електронске информационе опреме као што су радар, електронско ратовање, комуникација и мерење и контролу. Међутим, микроталасни фотонски систем заснован на дискретним уређајима има неке проблеме као што су велика запремина, велика тежина и лоша стабилност, што озбиљно ограничава примену технологије микроталасних фотона на свемирским и ваздушним платформама. Стога, интегрисана микроталасна фотонска технологија постаје важна подршка за прекид примене микроталасног фотона у војном електронском информационом систему и давање пуне улоге предностима микроталасне фотонске технологије.
Тренутно, технологија фотонске интеграције заснована на СИ и технологија фотонске интеграције засноване на ИНП постају све зрелије након година развоја у области оптичке комуникације, а на тржиште је стављено много производа. Међутим, за примену микроталасног фотона, постоје неки проблеми у ове две врсте технологија интеграције фотона: на пример, нелинеарни електрооптички коефицијент Си модулатора и ИнП модулатора је у супротности са високом линеарношћу и великим динамичким карактеристикама којима се тежи микроталасима. фотонска технологија; На пример, силицијумски оптички прекидач који реализује оптичко пребацивање путање, било да се заснива на топлотно-оптичком ефекту, пиезоелектричном ефекту или ефекту дисперзије убризгавања носача, има проблеме мале брзине пребацивања, потрошње енергије и потрошње топлоте, што не може задовољити брзу скенирање зрака и апликације микроталасних фотона великог низа.
Литијум ниобат је увек био први избор за велике брзинеелектрооптичка модулацијаматеријала због свог одличног линеарног електро-оптичког ефекта. Међутим, традиционални литијум ниобателектро-оптички модулаторје направљен од масивног кристалног материјала литијум ниобата, а величина уређаја је веома велика, што не може задовољити потребе интегрисане микроталасне фотонске технологије. Како интегрисати литијум ниобатне материјале са линеарним електро-оптичким коефицијентом у интегрисани систем микроталасне фотонске технологије постао је циљ релевантних истраживача. 2018. године, истраживачки тим са Универзитета Харвард у Сједињеним Државама је први пут пријавио технологију фотонске интеграције засновану на танком филму литијум ниобата у природи, јер технологија има предности високе интеграције, великог опсега електро-оптичке модулације и високе линеарности електро -оптички ефекат, једном лансиран, одмах је изазвао академску и индустријску пажњу у области фотонске интеграције и микроталасне фотонике. Из перспективе примене микроталасних фотона, у овом раду се разматра утицај и значај технологије интеграције фотона засноване на танкослојном литијум ниобату на развој микроталасне фотонске технологије.
Танки филм литијум ниобата материјал и танак филммодулатор литијум ниобата
У последње две године појавио се нови тип материјала литијум ниобата, то јест, филм литијум ниобата се одлепљује од масивног кристала литијум ниобата методом „јонског сечења“ и везује за Си вафер са силицијумским пуферским слојем како би се формирају ЛНОИ (ЛиНбО3-Он-Инсулатор) материјал [5], који се у овом раду назива танкослојни литијум ниобатни материјал. Гребенасти таласоводи са висином већом од 100 нанометара могу бити урезани на танкослојним литијум ниобатним материјалима оптимизованим процесом сувог јеткања, а ефективна разлика индекса преламања формираних таласовода може да достигне више од 0,8 (далеко већа од разлике индекса преламања традиционалног литијум ниобатни таласоводи од 0,02), као што је приказано на слици 1. Снажно ограничени таласовод олакшава усклађивање светлосног поља са микроталасним пољем приликом пројектовања модулатора. Стога је корисно постићи нижи полуталасни напон и већи опсег модулације на краћој дужини.
Појава субмикронског таласовода литијум ниобата са малим губицима разбија уско грло високог погонског напона традиционалног литијум ниобатног електрооптичког модулатора. Размак између електрода се може смањити на ~ 5 μм, а преклапање између електричног поља и поља оптичког мода је знатно повећано, а вπ ·Л опада са више од 20 В·цм на мање од 2,8 В·цм. Стога, под истим полуталасним напоном, дужина уређаја може бити знатно смањена у поређењу са традиционалним модулатором. Истовремено, након оптимизације параметара ширине, дебљине и интервала електроде путујућег таласа, као што је приказано на слици, модулатор може имати способност ултра-високог модулационог опсега већег од 100 ГХз.
Слика 1 (а) израчуната дистрибуција модова и (б) слика попречног пресека ЛН таласовода
Слика 2 (а) Структура таласовода и електроде и (б) језгра ЛН модулатора
Поређење танкослојних модулатора литијум ниобата са традиционалним комерцијалним модулаторима литијум ниобата, модулаторима на бази силицијума и модулаторима индијум фосфида (ИнП) и другим постојећим електрооптичким модулаторима велике брзине, главни параметри поређења укључују:
(1) Полуталасни производ дужине волта (вπ ·Л, В·цм), мерење ефикасности модулације модулатора, што је мања вредност, то је већа ефикасност модулације;
(2) пропусни опсег модулације од 3 дБ (ГХз), који мери одговор модулатора на високофреквентну модулацију;
(3) Оптички инсерцијски губитак (дБ) у модулационом региону. Из табеле се може видети да танкослојни литијум ниобатни модулатор има очигледне предности у модулационом опсегу, полуталасном напону, губитку оптичке интерполације и тако даље.
Силицијум, као камен темељац интегрисане оптоелектронике, до сада је развијен, процес је зрео, његова минијатуризација је погодна за интеграцију активних/пасивних уређаја великих размера, а његов модулатор је широко и дубоко проучаван у области оптичке комуникација. Механизам електрооптичке модулације силицијума је углавном уклањање носиоца, убризгавање носача и акумулација носача. Међу њима, пропусни опсег модулатора је оптималан са механизмом исцрпљивања носиоца линеарног степена, али пошто се дистрибуција оптичког поља преклапа са неуниформитетом области исцрпљивања, овај ефекат ће увести нелинеарну дисторзију другог реда и интермодулациону дисторзију трећег реда. термини, заједно са апсорпционим ефектом носиоца на светлост, што ће довести до смањења амплитуде оптичке модулације и изобличења сигнала.
ИнП модулатор има изванредне електро-оптичке ефекте, а вишеслојна структура квантног бунара може да реализује модулаторе ултра велике брзине и ниског напона са Вπ·Л до 0,156В · мм. Међутим, варијација индекса преламања са електричним пољем укључује линеарне и нелинеарне чланове, а повећање интензитета електричног поља учиниће ефекат другог реда истакнутим. Због тога, силицијумски и ИнП електро-оптички модулатори треба да примењују пристрасност да би формирали пн спој када раде, а пн спој ће изнети губитак апсорпције на светлост дана. Међутим, величина модулатора ова два је мала, комерцијална величина ИнП модулатора је 1/4 ЛН модулатора. Висока ефикасност модулације, погодна за мреже дигиталног оптичког преноса велике густине и кратке удаљености као што су центри података. Електро-оптички ефекат литијум ниобата нема механизам за апсорпцију светлости и мали губитак, што је погодно за кохерентну везу на великим удаљеностимаоптичка комуникацијаса великим капацитетом и великом стопом. У примени микроталасних фотона, електрооптички коефицијенти Си и ИнП су нелинеарни, што није погодно за систем микроталасних фотона који тежи високој линеарности и великој динамици. Материјал литијум ниобата је веома погодан за примену микроталасних фотона због свог потпуно линеарног коефицијента електро-оптичке модулације.
Време поста: 22.04.2024