Ohutkalvoisen litiumniobaatin edut ja merkitys integroidussa mikroaaltofotonitekniikassa
MikroaaltofotonitekniikkaSillä on etuna suuri työkaistanleveys, vahva rinnakkaiskäsittelykyky ja pieni lähetyshäviö, mikä voi mahdollisesti murtaa perinteisen mikroaaltojärjestelmän tekniset pullonkaulat ja parantaa sotilaallisten elektronisten tietojärjestelmien, kuten tutkien, elektronisen sodankäynnin, viestinnän sekä mittauksen ja ohjauksen, suorituskykyä. Erillisille laitteille perustuvalla mikroaaltofotonijärjestelmällä on kuitenkin joitakin ongelmia, kuten suuri tilavuus, raskas paino ja heikko vakaus, jotka rajoittavat vakavasti mikroaaltofotoniteknologian soveltamista avaruus- ja ilma-alustoilla. Siksi integroidusta mikroaaltofotoniteknologiasta on tulossa tärkeä tuki mikroaaltofotoniteknologian soveltamisen murtamiseksi sotilaallisissa elektronisissa tietojärjestelmissä ja mikroaaltofotoniteknologian etujen täysimääräiseksi hyödyntämiseksi.
Tällä hetkellä SI-pohjainen fotoninen integrointiteknologia ja INP-pohjainen fotoninen integrointiteknologia ovat kypsyneet yhä enemmän optisen viestinnän alan vuosien kehityksen ansiosta, ja markkinoille on tullut paljon tuotteita. Mikroaaltofotonien sovelluksissa on kuitenkin joitakin ongelmia näissä kahdessa fotonien integrointiteknologiassa: esimerkiksi Si-modulaattorin ja InP-modulaattorin epälineaarinen sähköoptinen kerroin on ristiriidassa mikroaaltofotoniteknologian tavoitteleman korkean lineaarisuuden ja suurten dynaamisten ominaisuuksien kanssa. Esimerkiksi piipohjaisella optisella kytkimellä, joka toteuttaa optisen reitin kytkennän, perustuipa se sitten lämpöoptiseen vaikutukseen, pietsosähköiseen vaikutukseen tai kantoaallon ruiskutusdispersiovaikutukseen, on ongelmia hitaan kytkentänopeuden, virrankulutuksen ja lämmönkulutuksen kanssa, mikä ei pysty vastaamaan nopeiden sädeskannaus- ja laajamittaisten mikroaaltofotonien sovellusten vaatimuksiin.
Litiumniobaatti on aina ollut ensisijainen valinta suurnopeuksisillesähköoptinen modulaatiomateriaaleja sen erinomaisen lineaarisen sähköoptisen vaikutuksen ansiosta. Perinteinen litiumniobaatti kuitenkinsähköoptinen modulaattorion valmistettu massiivisesta litiumniobaattikidemateriaalista, ja laitteen koko on erittäin suuri, mikä ei pysty täyttämään integroidun mikroaaltofotoniteknologian tarpeita. Lineaarisen sähköoptisen kertoimen omaavien litiumniobaattimateriaalien integrointi integroituun mikroaaltofotoniteknologiajärjestelmään on tullut asiaankuuluvien tutkijoiden tavoitteeksi. Vuonna 2018 Harvardin yliopiston tutkimusryhmä Yhdysvalloissa raportoi ensimmäisenä ohutkalvolitiumniobaattiin perustuvasta fotonisen integroinnin teknologiasta Nature-lehdessä. Koska teknologialla on etuna korkea integrointi, suuri sähköoptinen modulaatiokaistanleveys ja sähköoptisen vaikutuksen korkea lineaarisuus, se herätti lanseerauksensa jälkeen välittömästi akateemisen ja teollisen huomion fotonisen integroinnin ja mikroaaltofotoniikan alalla. Mikroaaltofotonisovellusten näkökulmasta tässä artikkelissa tarkastellaan ohutkalvolitiumniobaattiin perustuvan fotonin integroinnin teknologian vaikutusta ja merkitystä mikroaaltofotoniteknologian kehitykselle.
Ohutkalvoinen litiumniobaattimateriaali ja ohutkalvolitiumniobaattimodulaattori
Viimeisten kahden vuoden aikana on syntynyt uudentyyppinen litiumniobaattimateriaali, jossa litiumniobaattikalvo kuoritaan massiivisesta litiumniobaattikiteestä "ioniviipaleen" menetelmällä ja kiinnitetään piikiekkoon piidioksidipuskurikerroksella LNOI-materiaalin (LiNbO3-On-Insulator) muodostamiseksi [5]. Tässä artikkelissa tätä materiaalia kutsutaan ohutkalvolitiumniobaattimateriaaliksi. Yli 100 nanometrin korkuisia harjanteisia aaltojohteita voidaan syövyttää ohutkalvolitiumniobaattimateriaaleille optimoidulla kuivaetsausprosessilla, ja muodostuneiden aaltojohteiden efektiivinen taitekerroinero voi olla yli 0,8 (paljon suurempi kuin perinteisten litiumniobaattiaaltojohtimien taitekerroinero 0,02), kuten kuvassa 1 on esitetty. Voimakkaasti rajoitettu aaltojohde helpottaa valokentän ja mikroaaltokentän yhteensovittamista modulaattoria suunniteltaessa. Siten on hyödyllistä saavuttaa pienempi puoliaaltojännite ja suurempi modulaatiokaistanleveys lyhyemmällä pituudella.
Vähähäviöisen litiumniobaatti-submikroniaaltojohteen ulkonäkö poistaa perinteisen litiumniobaatti-sähköoptisen modulaattorin korkean käyttöjännitteen aiheuttaman pullonkaulan. Elektrodien välistä etäisyyttä voidaan pienentää noin 5 μm:iin, ja sähkökentän ja optisen moodikentän päällekkäisyys kasvaa huomattavasti, ja vπ ·L pienenee yli 20 V·cm:stä alle 2,8 V·cm:iin. Näin ollen samalla puoliaaltojännitteellä laitteen pituutta voidaan lyhentää huomattavasti perinteiseen modulaattoriin verrattuna. Samalla, kun kuvassa on esitetty etenevän aallon elektrodin leveyden, paksuuden ja välin parametrit on optimoitu, modulaattori voi saavuttaa erittäin suuren modulointikaistanleveyden, joka on yli 100 GHz.
Kuva 1 (a) laskettu moodijakauma ja (b) LN-aaltojohteen poikkileikkauskuva
Kuva 2 (a) Aaltoputken ja elektrodin rakenne ja (b) LN-modulaattorin ydinlevy
Ohutkalvoisten litiumniobaattimodulaattoreiden vertailu perinteisiin kaupallisiin litiumniobaattimodulaattoreihin, piipohjaisiin modulaattoreihin ja indiumfosfidi (InP) -modulaattoreihin sekä muihin olemassa oleviin nopeisiin sähköoptisiin modulaattoreihin. Vertailun pääparametreja ovat:
(1) Puoliaallon voltti-pituustulo (vπ ·L, V·cm), joka mittaa modulaattorin modulaatiotehokkuutta; mitä pienempi arvo, sitä suurempi modulaatiotehokkuus;
(2) 3 dB:n modulaatiokaistanleveys (GHz), joka mittaa modulaattorin vastetta korkeataajuiseen modulaatioon;
(3) Optinen lisäyshäviö (dB) modulaatioalueella. Taulukosta voidaan nähdä, että ohutkalvoisella litiumniobaattimodulaattorilla on ilmeisiä etuja modulaatiokaistanleveyden, puoliaaltojännitteen, optisen interpolointihäviön ja muiden vastaavien osalta.
Piitä, integroidun optoelektroniikan kulmakivenä, on kehitetty tähän mennessä, prosessi on kypsä, sen pienentäminen edistää aktiivisten/passiivisten laitteiden laajamittaista integrointia, ja sen modulaattoria on tutkittu laajasti ja perusteellisesti optisen viestinnän alalla. Piin sähköoptinen modulaatiomekanismi on pääasiassa varauksenkuljettajien tyhjennys, varauksenkuljettajien injektio ja varauksenkuljettajien kertyminen. Näistä modulaattorin kaistanleveys on optimaalinen lineaarisen varauksenkuljettajien tyhjennysmekanismin ansiosta, mutta koska optisen kentän jakauma on päällekkäinen tyhjennysalueen epätasaisuuden kanssa, tämä vaikutus aiheuttaa epälineaarista toisen asteen vääristymää ja kolmannen asteen intermodulaatiovääristymätermiä yhdistettynä varauksenkuljettajan absorptiovaikutukseen valoon, mikä johtaa optisen modulaation amplitudin ja signaalin vääristymän pienenemiseen.
InP-modulaattorilla on erinomaiset sähköoptiset vaikutukset, ja monikerroksinen kvanttikaivorakenne voi toteuttaa erittäin nopeita ja matalia ohjausjännitteisiä modulaattoreita, joiden Vπ·L on jopa 0,156 V · mm. Taitekertoimen vaihtelu sähkökentän mukaan sisältää kuitenkin lineaarisia ja epälineaarisia termejä, ja sähkökentän voimakkuuden kasvu tekee toisen kertaluvun vaikutuksesta huomattavan. Siksi pii- ja InP-sähköoptisten modulaattoreiden on käytettävä esijännitettä pn-liitoksen muodostamiseksi niiden toimiessa, ja pn-liitos aiheuttaa valon absorptiohäviötä. Näiden kahden modulaattorin koko on kuitenkin pieni, kaupallisen InP-modulaattorin koko on 1/4 LN-modulaattorin koosta. Korkea modulointitehokkuus, sopii tiheille ja lyhyille digitaalisille optisille siirtoverkoille, kuten datakeskuksille. Litiumniobaatin sähköoptisessa vaikutuksessa ei ole valon absorptiomekanismia ja häviöt ovat pieniä, mikä sopii pitkän matkan koherentteihin sovelluksiin.optinen viestintäsuurella kapasiteetilla ja nopeudella. Mikroaaltofotonisovelluksessa Si:n ja InP:n sähköoptiset kertoimet ovat epälineaarisia, mikä ei sovellu mikroaaltofotonijärjestelmään, joka pyrkii korkeaan lineaarisuuteen ja suureen dynamiikkaan. Litiumniobaattimateriaali soveltuu erittäin hyvin mikroaaltofotonisovellukseen täysin lineaarisen sähköoptisen modulaatiokertoimensa ansiosta.
Julkaisun aika: 22. huhtikuuta 2024