Ohuen kalvon litium -niobaatin edut ja merkitys integroidussa mikroaaltofotonitekniikassa
Mikroaaltouunifotonitekniikkaon suuren työkaistanleveyden, vahvan rinnakkaisprosessointikyvyn ja alhaisen siirtohäviön edut, joilla on potentiaalia rikkoa perinteisen mikroaaltojärjestelmän tekninen pullonkaula ja parantaa sotilaallisten elektronisten tietolaitteiden, kuten tutkan, elektronisen sodankäynnin, viestinnän ja mittauksen ja hallinnan, suorituskykyä. Diskreetteisiin laitteisiin perustuvassa mikroaaltouunifotonijärjestelmässä on kuitenkin joitain ongelmia, kuten suuri tilavuus, raskas paino ja huono stabiilisuus, jotka rajoittavat vakavasti mikroaaltofotonitekniikan käyttöä avaruus- ja ilmassa olevilla alustoilla. Siksi integroidusta mikroaaltofotonitekniikasta on tulossa tärkeä tuki mikroaaltofotonin soveltamisen sotilaallisen sähköisen tietojärjestelmän soveltamiseksi ja täyden pelaamisen mikroaaltofotonitekniikan eduille.
Tällä hetkellä Si-pohjainen fotoninen integraatiotekniikka ja INP-pohjainen fotoninen integraatiotekniikka ovat muuttuneet yhä kypsemmäksi vuosien kehityksen jälkeen optisen viestinnän alalla, ja markkinoille on asetettu paljon tuotteita. Mikroaaltofotonin levittämisessä näissä kahdessa fotoni-integraatiotekniikassa on kuitenkin joitain ongelmia: esimerkiksi SI-modulaattorin epälineaarinen elektro-optinen kerroin ja INP-modulaattori on ristiriidassa mikroaaltouunifotonitekniikan korkean limarisen ja suurten dynaamisten ominaisuuksien kanssa; Esimerkiksi pii-optisella kytkimellä, joka toteuttaa optisen reitin kytkemisen, riippumatta siitä, perustuvat lämpö- ja optiseen vaikutukseen, pietsosähköiseen vaikutukseen tai kantolaitteen injektiohjelmäsefektiiviseen vaikutukseen, on ongelmia hitaan kytkentänopeuden, voimankulutuksen ja lämmönkulutuksen, jotka eivät pysty vastaamaan nopean säteen skannauksen ja suuren taulukon asteikon mikroaaltofotonisovelluksiin.
Litium -niobaatti on aina ollut ensimmäinen valinta suurelle nopeudelleelektro-optinen modulaatioMateriaalit sen erinomaisen lineaarisen elektro-optisen vaikutuksen vuoksi. Perinteinen litium -niobaatti kuitenkinelektro-optinen modulaattorion valmistettu massiivisesta litium -niobaattikidemateriaalista, ja laitteen koko on erittäin suuri, mikä ei pysty vastaamaan integroidun mikroaaltofotonitekniikan tarpeita. Kuinka integroida litium-niobaattimateriaalit lineaariseen elektro-optiseen kertoimeen integroidun mikroaaltofotonitekniikkajärjestelmään on tullut asiaankuuluvien tutkijoiden tavoitteena. Vuonna 2018 Yhdysvaltojen Harvardin yliopiston tutkimusryhmä kertoi ensin fotonisesta integraatiotekniikasta, joka perustuu ohutkalvojen litium-niobaattiin luonteeltaan, koska tekniikalla on korkea integraation edut, suuret sähköoptisen modulaatiokaistanleveyden ja korkean elektro-optisen vaikutuksen lineaarisuuden, se aiheutti heti akateemisen ja teollisen huomion fotonisen integroinnin ja mikrowave-fomoonien kentällä. Mikroaaltofotonisovelluksen näkökulmasta tässä artikkelissa tarkastellaan fotoni -integraatiotekniikan vaikutusta ja merkitystä, joka perustuu ohutkalvo litium -niobaattiin mikroaaltouunifotonitekniikan kehittämiseen.
Ohutkalvon litium -niobaattimateriaali ja ohutkalvolitium -niobate -modulaattori
Kahden viime vuoden aikana on syntynyt uuden tyyppinen litium-niobaattimateriaali, toisin sanoen litium-niobaattikalvo kuoritaan massiivisesta litium-niobaattikiteestä menetelmällä ”ionleikkaus” ja sidottu SI-kiekkoon piidioksidipuskurikerroksella, joka muodostaa lnoium-litiumin (Linbo3-on-Assulaattori) -materiaalia. Harjanteen aaltojohdot, joiden korkeus on yli 100 nanometria, voidaan syövyttää ohutkalvojen litium -niobaattimateriaaliin optimoidulla kuivana syövytysprosessilla, ja muodostettujen aaltojohtojen efektiivinen taitekerintaindeksi ero voi saavuttaa yli 0,8 (paljon korkeampi kuin perinteisen litiumin niobaatti -aaltoputken taitekenttään, kuten kuvio 1. suunnitellessasi modulaattoria. Siten on hyödyllistä saavuttaa pienempi puoliaallon jännite ja suurempi modulaatiokaistanleveys lyhyemmässä pituudessa.
Matalan menetyksen litium-niobaatti-submikroni-aaltojohdon esiintyminen rikkoo perinteisen litium-niobaatti-elektro-optisen modulaattorin suuren ajojännitteen pullonkaulan. Elektrodien etäisyys voidaan pelkistää ~ 5 μm: iin, ja sähkökentän ja optisen moodin kentän päällekkäisyys lisääntyy huomattavasti, ja vπ · l laskee yli 20 V · cm: stä alle 2,8 V · cm. Siksi laitteen pituutta voidaan vähentää samalla puoliaallon jännitteellä huomattavasti verrattuna perinteiseen modulaattoriin. Samanaikaisesti, kun kulkevan aaltoelektrodin leveys, paksuus ja aikaväli on optimoitu, kuten kuviossa esitetään, modulaattorilla voi olla erittäin 100 GHz: n erittäin korkean modulaatiokaistanleveyden kyky.
Kuva 1 （A） Lastettu moodin jakauma ja （B） Kuva LN-aaltojohdon poikkileikkauksesta
Kuva 2 （A） aaltojohto- ja elektrodirakenne ja （B） LN -modulaattorin korpekiliitti
Ohuen kalvon litium-niobaattimodulaattorien vertailu perinteisillä litium-niobaattien kaupallisilla modulaattoreilla, piikolauspohjaisilla modulaattoreilla ja indiumfosfidi (INP) -modulaattoreilla ja muilla olemassa olevilla suurnopeudella olevilla elektro-optisilla modulaattoreilla. Vertailun pääparametrit sisältävät:
(1) puoliaallon voltinpituinen tuote (vπ · l, v · cm), mittaamalla modulaattorin modulaatiotehokkuus, mitä pienempi arvo, sitä suurempi modulaatiotehokkuus;
(2) 3 dB modulaatiokaistanleveys (GHz), joka mittaa modulaattorin vasteen korkeataajuiseen modulaatioon;
(3) Optinen lisäyshäviö (DB) modulaatioalueella. Taulukosta voidaan nähdä, että ohutkalvojen litium-niobaattimodulaattorilla on ilmeisiä etuja modulaatiokaistanleveydessä, puoliaallon jännitteessä, optisella interpolointimenetyksellä ja niin edelleen.
Piitä, kuten integroidun optoelektroniikan kulmakivi, on toistaiseksi kehitetty, prosessi on kypsä, sen miniatyrisointi edistää aktiivisten/passiivisten laitteiden laajamittaista integraatiota ja sen modulaattoria on tutkittu laajasti ja syvästi optisen viestinnän kentällä. Piän elektro-optinen modulaatiomekanismi on pääasiassa kantoaaltopoisto, kantoaaltoinjektio ja kantoaalto. Niiden joukossa modulaattorin kaistanleveys on optimaalinen lineaarisen asteen kantajan ehtymismekanismin kanssa, mutta koska optisen kentän jakauma on päällekkäin ehtymisalueen epäyhtenäisyyden kanssa, tämä vaikutus tuo epälineaarisen toisen asteen vääristymisen ja kolmannen asteen intermodulaatioiden vääristymisen termit, jotka on kytketty kantaja-absorptiovaikutukseen ja signaalit-disangoitumisvaikutukseen.
INP-modulaattorilla on erinomaiset elektro-optiset vaikutukset, ja monikerroksisella kvanttikaivojen rakenteella voi toteuttaa erittäin korkean nopeuden ja alhaisen ajojännittimodulaattorit Vπ · L: llä arvoon 0,156V · mm. Sähkökentän taitekertoimen vaihtelu sisältää kuitenkin lineaariset ja epälineaariset termit, ja sähkökentän voimakkuuden lisääntyminen tekee toisen asteen vaikutuksen näkyväksi. Siksi pii- ja INP-elektro-optisten modulaattoreiden on käytettävä esijännitystä PN-risteyksen muodostamiseksi, kun ne toimivat, ja PN-risteys tuo absorptiohäviön valoon. Näiden kahden modulaattorin koko on kuitenkin pieni, kaupallinen INP -modulaattorin koko on 1/4 LN -modulaattorista. Korkea modulaatiotehokkuus, joka sopii tiheään ja lyhyen etäisyyden digitaalisten optisten siirtoverkkojen, kuten tietokeskuksiin. Litium-niobaatin sähköoptisella vaikutuksella ei ole valon imeytymismekanismia ja matalaa menetystä, mikä sopii pitkän matkan koherenttiinoptinen viestintäsuurella kapasiteetilla ja korkealla nopeudella. Mikroaaltofotonisovelluksessa Si: n ja INP: n sähköoptiset kertoimet ovat epälineaarisia, mikä ei sovellu mikroaaltofotonijärjestelmään, joka pyrkii korkeaan lineaarisuuteen ja suureen dynamiikkaan. Litium-niobaattimateriaali on erittäin sopiva mikroaaltofotonisovellukseen sen täysin lineaarisen elektrooptisen modulaatiokertoimen vuoksi.
Viestin aika: huhtikuu-22-2024