Предности и значај танког филма литијум ниобата у интегрисаној микроталасној фотонској технологији
Микроталасна фотонска технологијаИма предности великог радног пропусног опсега, снажне паралелне обраде и ниског губитка при преносу, што има потенцијал да прекине техничко уско грло традиционалног микроталасног система и побољша перформансе војне електронске информационе опреме као што су радар, електронско ратовање, комуникација и мерење и управљање. 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 у свемирским и ваздушним платформама. Стога, интегрисана технологија микроталасних фотона постаје важна подршка за прекид примене микроталасних фотона у војном електронском информационом систему и давање пуног простора предностима технологије микроталасних фотона.
Тренутно, технологија фотонске интеграције заснована на SI и технологија фотонске интеграције заснована на INP постају све зрелије након година развоја у области оптичке комуникације, и многи производи су пласирани на тржиште. Међутим, за примену микроталасних фотона, постоје неки проблеми код ове две врсте технологија интеграције фотона: на пример, нелинеарни електрооптички коефицијент Si модулатора и InP модулатора је супротан високој линеарности и великим динамичким карактеристикама које тежи технологија микроталасних фотона; На пример, силицијумски оптички прекидач који реализује оптичко прекидање путање, било да је заснован на термички-оптичком ефекту, пиезоелектричном ефекту или ефекту дисперзије убризгавања носача, има проблеме споре брзине прекидача, потрошње енергије и потрошње топлоте, што не може да задовољи примене микроталасних фотона са брзим скенирањем снопа и великим низовима.
Литијум ниобат је увек био први избор за велике брзинеелектрооптичка модулацијаматеријали због свог одличног линеарног електрооптичког ефекта. Међутим, традиционални литијум ниобателектрооптички модулаторје направљен од масивног кристалног материјала литијум ниобата, а величина уређаја је веома велика, што не може да задовољи потребе интегрисане микроталасне фотонске технологије. Како интегрисати литијум ниобатне материјале са линеарним електрооптичким коефицијентом у интегрисани систем микроталасне фотонске технологије постао је циљ релевантних истраживача. Године 2018, истраживачки тим са Универзитета Харвард у Сједињеним Државама први је објавио технологију фотонске интеграције засновану на танком филму литијум ниобата у часопису Nature, јер технологија има предности високе интеграције, великог пропусног опсега електрооптичке модулације и високе линеарности електрооптичког ефекта, након што је лансирана, одмах је изазвала академску и индустријску пажњу у области фотонске интеграције и микроталасне фотонике. Са становишта примене микроталасног фотона, овај рад разматра утицај и значај технологије фотонске интеграције засноване на танком филму литијум ниобата на развој технологије микроталасног фотона.
Танкослојни литијум-ниобатни материјал и танки филммодулатор литијум ниобата
У последње две године појавио се нови тип литијум-ниобатног материјала, односно филм литијум-ниобата се ексфолира са масивног кристала литијум-ниобата методом „јонског сечења“ и везује за Si плочицу слојем силицијумског пуфера да би се формирао LNOI (LiNbO3-На-Изолатору) материјал [5], који се у овом раду назива танкослојни литијум-ниобатни материјал. Гребенасти таласоводи висине веће од 100 нанометара могу се нагризати на танкослојне литијум-ниобатне материјале оптимизованим поступком сувог нагризања, а ефективна разлика индекса преламања формираних таласовода може достићи више од 0,8 (далеко више од разлике индекса преламања традиционалних литијум-ниобатних таласовода од 0,02), као што је приказано на слици 1. Снажно ограничен таласовод олакшава усклађивање светлосног поља са микроталасним пољем приликом пројектовања модулатора. Стога је корисно постићи нижи полуталасни напон и већи пропусни опсег модулације у краћој дужини.
Појава субмикронског таласовода литијум-ниобата са малим губицима прекида уско грло високог напона погона традиционалног електрооптичког модулатора литијум-ниобата. Размак између електрода може се смањити на ~ 5 μm, а преклапање између електричног поља и оптичког модалног поља је значајно повећано, а vπ ·L се смањује са више од 20 V·cm на мање од 2,8 V·cm. Стога, под истим полуталасним напоном, дужина уређаја може се значајно смањити 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 могућност ултрависоког модулационог пропусног опсега већег од 100 GHz.
Сл. 1 (а) израчуната расподела модова и (б) слика попречног пресека LN таласовода
Сл. 2 (а) Структура таласовода и електроде и (б) основна плоча LN модулатора
Поређење танкослојних литијум-ниобатних модулатора са традиционалним комерцијалним литијум-ниобатним модулаторима, модулаторима на бази силицијума и модулаторима индијум-фосфида (InP) и другим постојећим брзим електрооптичким модулаторима, главни параметри поређења укључују:
(1) Производ полуталасне дужине волта (vπ ·L, V·cm), мерење ефикасности модулације модулатора, што је вредност мања, већа је ефикасност модулације;
(2) пропусни опсег модулације од 3 dB (GHz), који мери одзив модулатора на високофреквентну модулацију;
(3) Оптички губитак уметања (dB) у области модулације. Из табеле се може видети да танкослојни литијум-ниобатни модулатор има очигледне предности у пропусном опсегу модулације, 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 комуникације. Механизам електрооптичке модулације силицијума је углавном смањење носилаца, убризгавање носилаца и акумулација носилаца. Међу њима, пропусни опсег модулатора је оптималан са механизмом линеарног степена смањења носилаца, али пошто се расподела оптичког поља преклапа са неуједначеношћу области смањења, овај ефекат ће увести нелинеарне дисторзије другог реда и интермодулационе дисторзије трећег реда, заједно са ефектом апсорпције носиоца на светлост, што ће довести до смањења амплитуде оптичке модулације и изобличења сигнала.
InP модулатор има изванредне електрооптичке ефекте, а вишеслојна структура квантних бунара може да оствари модулаторе ултра високе брзине и ниског напона погона са Vπ·L до 0,156V · mm. Међутим, варијација индекса преламања са електричним пољем укључује линеарне и нелинеарне чланове, а повећање интензитета електричног поља ће учинити ефекат другог реда истакнутим. Стога, силицијумски и InP електрооптички модулатори морају да примене преднапон да би формирали pn спој када раде, а pn спој ће довести до губитка апсорпције. Међутим, величина модулатора ова два је мала, комерцијални InP модулатор је 1/4 величине LN модулатора. Висока ефикасност модулације, погодна за дигиталне оптичке преносне мреже велике густине и кратких удаљености, као што су центри података. Електрооптички ефекат литијум ниобата нема механизам апсорпције светлости и има мале губитке, што је погодно за кохерентне преносе на велике удаљености.оптичка комуникацијаса великим капацитетом и великом брзином. У примени микроталасних фотона, електрооптички коефицијенти Si и InP су нелинеарни, што није погодно за микроталасни фотонски систем који тежи високој линеарности и великој динамики. Литијум ниобат је веома погодан за примену микроталасних фотона због свог потпуно линеарног коефицијента електрооптичке модулације.
Време објаве: 22. април 2024.