Plonos plėvelės ličio niobato medžiaga ir plona plėvelės ličio niobato moduliatorius

Plonos plėvelės ličio niobato pranašumai ir reikšmė integruotoje mikrobangų fotono technologijoje

Mikrobangų fotono technologijaturi didelio darbo pralaidumo, stiprių lygiagrečių apdorojimo galimybių ir mažo perdavimo nuostolių pranašumus, o tai gali nutraukti tradicinės mikrobangų sistemos techninę kliūtį ir pagerinti karinės elektroninės informacijos įrangos, tokios kaip radaras, elektroninis karas, ryšys, matavimas ir valdymas, veikimą. Tačiau mikrobangų krosnelės fotonų sistema, pagrįsta atskirais įrenginiais, turi tam tikrų problemų, tokių kaip didelis tūris, sunkusis svoris ir blogas stabilumas, o tai rimtai riboja mikrobangų fotonų technologijos taikymą kosmose ir ore esančiose platformose. Todėl integruota mikrobangų fotono technologija tampa svarbia atrama, kaip nutraukti mikrobangų fotono pritaikymą karinėje elektroninėje informacinėje sistemoje ir visiškai žaisti mikrobangų fotono technologijos pranašumams.

Šiuo metu SI pagrįsta fotoninės integracijos technologija ir INP pagrįsta fotoninės integracijos technologija tapo vis labiau subrendusi po daugelio metų plėtros optinės komunikacijos srityje, o rinkoje buvo įdėta daugybė produktų. Tačiau norint pritaikyti mikrobangų fotoną, šiose dviejose fotonų integracijos technologijų rūšyse yra keletas problemų: pavyzdžiui, netiesinis SI moduliatoriaus ir INP moduliatoriaus elektro-optinis koeficientas prieštarauja dideliam linijiškumui ir didelėms dinaminėms savybėms, kurias siekia mikrobangų punktų fotono technologija; Pavyzdžiui, silicio optinis jungiklis, kuris realizuoja optinio kelio perjungimą, atsižvelgiant į šiluminį optinį efektą, pjezoelektrinį efektą, ar nešiklio injekcijos dispersijos efektą, turi lėto perjungimo greičio, energijos suvartojimo ir šilumos sąnaudų problemas, kurios negali atitikti greito pluošto nuskaitymo ir didelių masyvo masto mikrobangų fotono programų.

Lithium niobate visada buvo pirmasis pasirinkimas dideliu greičiuElektro-optinis moduliavimasMedžiagos dėl puikaus linijinio elektrooptinio efekto. Tačiau tradicinis ličio niobatasElektro-optinis moduliatoriusyra pagamintas iš masyvios ličio niobato kristalų medžiagos, o prietaiso dydis yra labai didelis, o tai negali patenkinti integruotos mikrobangų fotono technologijos poreikių. Kaip integruoti ličio niobatų medžiagas su linijiniu elektro-optiniu koeficientu į integruotą mikrobangų fotono technologijos sistemą tapo atitinkamų tyrėjų tikslu. 2018 m. Jungtinių Valstijų Harvardo universiteto tyrimų komanda pirmą kartą pranešė apie fotoninės integracijos technologiją, pagrįstą plonos plėvelės ličio niobato gamtoje, nes ši technologija turi didelės integracijos pranašumus, didelę elektro-optinės moduliacijos pralaidumą ir didelį elektro-optinio efekto tiesiškumą, o tai iškart sukėlė akademinį ir pramoninį dėmesį fotoninės integracijos srities ir mikrovavtų fotonikų linijos. Žvelgiant iš mikrobangų fotono taikymo, šiame darbe apžvelgiama fotonų integracijos technologijos, pagrįstos plonos plėvelės ličio niobate, įtaka ir reikšmingumui mikrobangų fotonų technologijos kūrimui.

Plonos plėvelės ličio niobato medžiaga ir plona plėvelėLičio niobato moduliatorius
Pastaraisiais dvejais metais atsirado naujo tipo ličio niobato medžiagos, tai yra, ličio niobato plėvelė yra išsausinta iš masyvaus ličio niobato kristalo, „jonų pjaustymo“ metodu ir sujungta su Si vafliu, vadinamu plonu filmu, vadinamu plonu filmu. Ridžo bangolaidžiai, kurių aukštis yra didesnis nei 100 nanometrų Laukas kuriant moduliatorių. Taigi naudinga pasiekti mažesnę ilgio pusės bangų įtampą ir didesnį moduliacijos pralaidumą.

Mažo nuostolių ličio niobato submikrono bangolaidžio atsiradimas nutraukia tradicinio ličio niobato elektro-optinio moduliatoriaus aukštos vairavimo įtampos kliūtį. Tarpus elektrodus galima sumažinti iki ~ 5 μm, o elektrinio lauko ir optinio režimo lauko sutapimas žymiai padidėja, o Vπ · L sumažėja nuo daugiau nei 20 V · cm iki mažiau nei 2,8 V · cm. Todėl, esant tam pačiam pusinės bangos įtampai, prietaiso ilgį galima žymiai sumažinti, palyginti su tradiciniu moduliatoriumi. Tuo pačiu metu, optimizavus keliaujančios bangos elektrodo pločio, storio ir intervalo parametrus, kaip parodyta paveikslėlyje, moduliatorius gali turėti ypač aukšto moduliavimo pralaidumo galimybes didesnį nei 100 GHz.

1 pav.

2 pav. （A） bangolaidžio ir elektrodo struktūra ir （B） LN moduliatoriaus šerdies plokštė

Plonos plėvelės ličio niobato moduliatorių palyginimas su tradiciniais ličio niobato komerciniais moduliatoriais, silicio pagrindu pagamintais moduliatoriais ir indio fosfido (INP) moduliatoriais ir kitais esamais didelės spartos elektro-optiniais moduliatoriais, pagrindiniai palyginimo parametrai apima:
(1) pusiau bangos voltų ilgio produktas (Vπ · L, V · cm), matuojant moduliacijos moduliacijos efektyvumą, tuo mažesnė vertė, tuo didesnis moduliacijos efektyvumas;
(2) 3 dB moduliacijos pralaidumas (GHz), kuris matuoja moduliatoriaus reakciją į aukšto dažnio moduliaciją;
(3) Optinio įterpimo nuostoliai (DB) moduliacijos srityje. Iš lentelės galima pastebėti, kad plonos plėvelės ličio niobato moduliatorius turi akivaizdžių moduliacijos pralaidumo, pusiau bangų įtampos, optinio interpoliacijos nuostolių pranašumų ir pan.

Iki šiol buvo sukurtas silicis, kaip kertinis integruotos optoelektronikos akmuo, procesas yra subrendęs, jo miniatiūrizavimas skatina didelio masto aktyvių/pasyviųjų prietaisų integraciją, o jo moduliatorius buvo plačiai ir giliai ištirtas optinio ryšio srityje. Silicio elektro-optinio moduliavimo mechanizmas daugiausia yra nešiklio išmetimo, nešiklio injekcijos ir nešiklio kaupimasis. Tarp jų moduliatoriaus pralaidumas yra optimalus su tiesinio laipsnio nešiklio išeikvojimo mechanizmu, tačiau kadangi optinio lauko pasiskirstymas sutampa su išeikvojimo regiono nevienodumu, šis poveikis sukels netiesinį antrosios eilės iškraipymą ir trečiosios eilės intermoduliacijos iškraipymo terminus, kartu su nešiklio absorbcijos efektu, kuris sumažins optinių moduliacijos ambliartus ir poveikį.

INP moduliatorius turi puikų elektrooptinį poveikį, o kelių sluoksnių kvantinės šulinio struktūra gali realizuoti ypač aukštą greitį ir žemos vairavimo įtampos moduliatorius, kurių Vπ · L yra iki 0,156 V · mm. Tačiau lūžio rodiklio kitimas su elektriniu lauku apima linijinius ir netiesinius terminus, o padidėjęs elektrinio lauko intensyvumas padarys antros eilės efektą. Todėl silicio ir INP elektro-optinių moduliatoriai turi pritaikyti paklaidą, kad suformuotų PN jungtį, kai jie veikia, o PN jungtis sukels absorbcijos praradimą. Tačiau šių dviejų moduliatorių dydis yra mažas, komercinis INP moduliatoriaus dydis yra 1/4 LN moduliatoriaus. Didelis moduliacijos efektyvumas, tinkamas didelio tankio ir nedidelio atstumo skaitmeniniams optiniams perdavimo tinklams, tokiems kaip duomenų centrai. Ličio niobato elektro-optinis poveikis neturi šviesos absorbcijos mechanizmo ir mažo nuostolio, kuris tinka tolimojo atstumo nuosekliam nuosekliamOptinis ryšyssu didelėmis talpomis ir dideliu greičiu. Mikrobangų fotono programoje SI ir INP elektrooptiniai koeficientai yra netiesiniai, kurie netinka mikrobangų fotonų sistemai, kuriai siekiama didelio tiesiškumo ir didelės dinamikos. Ličio niobato medžiaga yra labai tinkama mikrobangų fotono pritaikymui, nes ji yra visiškai linijinė elektro-optinio moduliacijos koeficientas.