Ohutkalvolitiumniobaatin edut ja merkitys integroidussa mikroaaltofotonitekniikassa
Mikroaaltofotonitekniikkasen etuna on suuri työskentelykaistanleveys, vahva rinnakkaiskäsittelykyky ja alhainen lähetyshäviö, mikä voi murtaa perinteisen mikroaaltouunijärjestelmän teknisen pullonkaulan ja parantaa sotilaallisten elektronisten tietolaitteiden, kuten tutkan, elektronisen sodankäynnin, viestinnän ja mittauksen sekä ohjata. Erillisiin laitteisiin perustuvassa mikroaaltofotonijärjestelmässä on kuitenkin joitain ongelmia, kuten suuri tilavuus, raskas paino ja huono stabiilius, jotka rajoittavat vakavasti mikroaaltofotonitekniikan soveltamista avaruudessa ja ilmassa. Siksi integroidusta mikroaaltofotonitekniikasta on tulossa tärkeä tuki, joka katkaisee mikroaaltofotonien käytön sotilaselektronisissa tietojärjestelmissä ja antaa täyden mahdollisuuden hyödyntää mikroaaltofotonitekniikan etuja.
Tällä hetkellä SI-pohjainen fotoninen integraatioteknologia ja INP-pohjainen fotoniintegraatioteknologia ovat tulleet yhä kypsemmiksi vuosien kehityksen jälkeen optisen viestinnän alalla, ja paljon tuotteita on tuotu markkinoille. Mikroaaltofotonien sovelluksessa näissä kahdessa fotoniintegraatiotekniikassa on kuitenkin joitain ongelmia: esimerkiksi Si-modulaattorin ja InP-modulaattorin epälineaarinen sähkö-optinen kerroin on vastoin mikroaaltojen tavoittelemaa suurta lineaarisuutta ja suuria dynaamisia ominaisuuksia. fotoni tekniikka; Esimerkiksi pii-optisella kytkimellä, joka toteuttaa optisen polun vaihdon, perustuipa sitten lämpö-optiseen vaikutukseen, pietsosähköiseen vaikutukseen tai kantoaallon injektiodispersiovaikutukseen, on hitaan kytkentänopeuden, virrankulutuksen ja lämmönkulutuksen ongelmia, jotka eivät pysty vastaamaan nopeaan Sädeskannaus ja laajamittaisen mikroaaltofotonisovellukset.
Litiumniobaatti on aina ollut ensimmäinen valinta suuriin nopeuksiinsähköoptinen modulaatiomateriaaleja erinomaisen lineaarisen sähköoptisen vaikutuksensa ansiosta. Kuitenkin perinteinen litiumniobaattisähkö-optinen modulaattorion valmistettu massiivisesta litiumniobaattikidemateriaalista, ja laitteen koko on erittäin suuri, mikä ei voi täyttää integroidun mikroaaltouunin fotonitekniikan tarpeita. Asianomaisten tutkijoiden tavoitteena on integroida litiumniobaattimateriaalit lineaarisella sähköoptisella kertoimella integroituun mikroaaltofotoniteknologiajärjestelmään. Vuonna 2018 yhdysvaltalaisen Harvardin yliopiston tutkimusryhmä raportoi ensimmäisen kerran ohutkalvolitiumniobaattiin perustuvasta fotoniintegraatiotekniikasta luonnossa, koska tekniikan etuna on korkea integraatio, suuri sähköoptisen modulaation kaistanleveys ja sähkön korkea lineaarisuus. -Optinen efekti, kun se lanseerattiin, se herätti välittömästi akateemisen ja teollisuuden huomion fotoniintegraation ja mikroaaltofotoniikan alalla. Tässä artikkelissa tarkastellaan mikroaaltofotonisovelluksen näkökulmasta ohutkalvolitiumniobaattiin perustuvan fotoniintegraatioteknologian vaikutusta ja merkitystä mikroaaltofotonitekniikan kehitykseen.
Ohutkalvo litiumniobaattimateriaalia ja ohutkalvolitiumniobaattimodulaattori
Kahden viime vuoden aikana on ilmaantunut uudenlainen litiumniobaattimateriaali, eli litiumniobaattikalvo kuoritaan massiivisesta litiumniobaattikiteestä "ionileikkausmenetelmällä" ja liimataan Si-kiekkoon silikapuskurikerroksella. muodostavat LNOI-materiaalia (LiNbO3-On-Insulator) [5], jota tässä paperissa kutsutaan ohutkalvoksi litiumniobaattimateriaaliksi. Yli 100 nanometrin korkeita harja-aaltoputkia voidaan syövyttää ohutkalvo-litiumniobaattimateriaaleihin optimoidun kuivaetsausprosessin avulla, ja muodostuneiden aaltoputkien tehollinen taitekerroinero voi olla yli 0,8 (paljon korkeampi kuin perinteisen taitekerroin ero) litiumniobaattiaaltoputket 0,02), kuten kuvassa 1 näkyy. Voimakkaasti rajoitettu aaltoputki helpottaa valokentän sovittamista mikroaaltokenttään modulaattoria suunniteltaessa. Näin ollen on edullista saavuttaa pienempi puoliaaltojännite ja suurempi modulaatiokaistanleveys lyhyemmällä pituudella.
Pienihäviöisen litiumniobaattisubmikronisen aaltoputken ilmestyminen katkaisee perinteisen litiumniobaattisähköoptisen modulaattorin korkean käyttöjännitteen pullonkaulan. Elektrodien etäisyyttä voidaan pienentää ~ 5 μm:iin, ja päällekkäisyys sähkökentän ja optisen moodin kentän välillä kasvaa huomattavasti, ja vπ ·L pienenee yli 20 V·cm:stä alle 2,8 V·cm:iin. Siksi samalla puoliaaltojännitteellä laitteen pituutta voidaan lyhentää huomattavasti verrattuna perinteiseen modulaattoriin. Samanaikaisesti, kun liikkuvan aallon elektrodin leveyden, paksuuden ja välin parametrit on optimoitu, kuten kuvassa on esitetty, modulaattorilla voi olla kyky ultrakorkealle modulaatiokaistanleveydelle, joka on suurempi kuin 100 GHz.
Kuva 1 （a） laskettu moodijakauma ja （b） kuva LN-aaltoputken poikkileikkauksesta
Kuva 2 （a） Aaltoputken ja elektrodin rakenne ja （b） LN-modulaattorin sydänlevy
Ohutkalvoisten litiumniobaattimodulaattoreiden vertailu perinteisiin litiumniobaattimodulaattoreihin, piipohjaisiin modulaattoreihin ja indiumfosfidimodulaattoreihin (InP) ja muihin olemassa oleviin nopeisiin sähköoptisiin modulaattoreihin, vertailun tärkeimmät parametrit ovat:
(1) Puoliaallon voltinpituustulo (vπ ·L, V·cm), mittaamalla modulaattorin modulaatiotehokkuutta, mitä pienempi arvo, sitä korkeampi modulaatiotehokkuus;
(2) 3 dB modulaatiokaistanleveys (GHz), joka mittaa modulaattorin vastetta suurtaajuusmodulaatioon;
(3) Optinen lisäyshäviö (dB) modulaatioalueella. Taulukosta voidaan nähdä, että ohutkalvolla litiumniobaattimodulaattorilla on ilmeisiä etuja modulaatiokaistanleveyden, puoliaaltojännitteen, optisen interpolaatiohäviön ja niin edelleen suhteen.
Pii integroidun optoelektroniikan kulmakivenä on kehitetty tähän mennessä, prosessi on kypsä, sen miniatyrisointi edistää aktiivisten/passiivisten laitteiden laajamittaista integrointia, ja sen modulaattoria on tutkittu laajasti ja syvästi optiikan alalla. viestintää. Piin sähkö-optinen modulaatiomekanismi on pääasiassa kantoaineen tyhjennys, kantoaineen injektio ja kantoaineen kerääminen. Niiden joukossa modulaattorin kaistanleveys on optimaalinen lineaarisen kantoaallon kulumismekanismin kanssa, mutta koska optisen kentän jakauma on päällekkäinen tyhjennysalueen epätasaisuuden kanssa, tämä vaikutus aiheuttaa epälineaarisen toisen asteen vääristymän ja kolmannen asteen keskinäismodulaatiosäröä termit yhdistettynä kantoaallon absorptiovaikutukseen valossa, mikä johtaa optisen modulaation amplitudin ja signaalin vääristymän pienenemiseen.
InP-modulaattorilla on erinomaiset sähkö-optiset tehosteet, ja monikerroksinen kvanttikuipparakenne voi toteuttaa erittäin korkean nopeuden ja matalan käyttöjännitteen modulaattoreita Vπ·L jopa 0,156 V · mm. Taitekertoimen vaihtelu sähkökentän kanssa sisältää kuitenkin lineaariset ja epälineaariset termit, ja sähkökentän voimakkuuden kasvu tekee toisen kertaluvun vaikutuksen näkyväksi. Siksi pii- ja InP-sähköoptisten modulaattoreiden on käytettävä esijännitettä pn-liitoksen muodostamiseksi, kun ne toimivat, ja pn-liitos tuo valoon absorptiohäviön. Näiden kahden modulaattorin koko on kuitenkin pieni, kaupallisen InP-modulaattorin koko on 1/4 LN-modulaattorista. Korkea modulaatiotehokkuus, sopii korkeatiheyksisiin ja lyhyen matkan digitaalisiin optisiin siirtoverkkoihin, kuten datakeskuksiin. Litiumniobaatin sähköoptisella vaikutuksella ei ole valon absorptiomekanismia ja alhainen häviö, mikä sopii pitkän matkan koherentilleoptinen viestintäsuurella kapasiteetilla ja korkealla nopeudella. Mikroaaltofotonisovelluksessa Si:n ja InP:n sähköoptiset kertoimet ovat epälineaarisia, mikä ei sovellu mikroaaltofotonijärjestelmään, joka tavoittelee suurta lineaarisuutta ja suurta dynamiikkaa. Litiumniobaattimateriaali soveltuu erittäin hyvin mikroaaltofotonisovellukseen sen täysin lineaarisen sähköoptisen modulaatiokertoimen ansiosta.
Postitusaika: 22.4.2024