Plonasluoksnė ličio niobato medžiaga ir plonasluoksnis ličio niobato moduliatorius

Plonasluoksnio ličio niobato privalumai ir reikšmė integruotoje mikrobangų fotonų technologijoje

Mikrobangų fotonų technologijaturi didelio darbinio dažnių juostos pločio, stiprių lygiagretaus apdorojimo galimybių ir mažų perdavimo nuostolių pranašumų, o tai gali nutraukti tradicinės mikrobangų sistemos techninę kliūtį ir pagerinti karinės elektroninės informacijos įrangos, tokios kaip radaras, elektroninis karas, ryšiai ir matavimai, veikimą. kontroliuoti. Tačiau mikrobangų fotonų sistema, pagrįsta atskirais įrenginiais, turi tam tikrų problemų, tokių kaip didelis tūris, didelis svoris ir prastas stabilumas, o tai labai riboja mikrobangų fotonų technologijos taikymą kosmose ir ore esančiose platformose. Todėl integruota mikrobangų fotonų technologija tampa svarbia atrama, padedančia nutraukti mikrobangų fotonų taikymą karinėje elektroninėje informacinėje sistemoje ir visapusiškai panaudoti mikrobangų fotonų technologijos privalumus.

Šiuo metu SI pagrįsta fotoninės integracijos technologija ir INP pagrįsta fotoninės integracijos technologija tapo vis labiau subrendusi po daugelio metų plėtros optinio ryšio srityje, o į rinką buvo pateikta daug produktų. Tačiau taikant mikrobangų fotoną, šiose dviejose fotonų integravimo technologijose kyla tam tikrų problemų: pavyzdžiui, Si moduliatoriaus ir InP moduliatoriaus netiesinis elektrooptinis koeficientas prieštarauja dideliam tiesiškumui ir didelėms dinaminėms charakteristikoms, kurių siekia mikrobangų krosnelė. fotonų technologija; Pavyzdžiui, silicio optinis jungiklis, kuris realizuoja optinio kelio perjungimą, remiantis terminiu optiniu efektu, pjezoelektriniu efektu ar nešiklio įpurškimo dispersijos efektu, turi lėto perjungimo greičio, energijos suvartojimo ir šilumos suvartojimo problemų, kurios negali patenkinti greito pluošto skenavimas ir didelio masto mikrobangų fotonų programos.

Ličio niobatas visada buvo pirmasis pasirinkimas dideliam greičiuielektrooptinė moduliacijamedžiagos dėl puikaus linijinio elektrooptinio efekto. Tačiau tradicinis ličio niobataselektrooptinis moduliatoriusyra pagamintas iš masyvios ličio niobato kristalinės medžiagos, o įrenginio dydis yra labai didelis, o tai negali patenkinti integruotos mikrobangų fotonų technologijos poreikių. Kaip integruoti ličio niobato medžiagas su linijiniu elektrooptiniu koeficientu į integruotą mikrobangų fotonų technologijos sistemą tapo atitinkamų tyrėjų tikslu. 2018 m. mokslininkų grupė iš Harvardo universiteto (JAV) pirmą kartą pranešė apie fotoninės integracijos technologiją, pagrįstą plonos plėvelės ličio niobatu gamtoje, nes ši technologija turi didelės integracijos, didelio elektro-optinės moduliacijos pralaidumo ir didelio elektrolitinio tiesiškumo. -optinis efektas, kai jis buvo paleistas, jis iškart sukėlė akademinį ir pramoninį dėmesį fotoninės integracijos ir mikrobangų fotonikos srityse. Mikrobangų fotonų taikymo požiūriu, šiame darbe apžvelgiama plonasluoksnės ličio niobato fotonų integracijos technologijos įtaka ir reikšmė mikrobangų fotonų technologijos vystymuisi.

Plonasluoksnė ličio niobato medžiaga ir plona plėvelėličio niobato moduliatorius
Per pastaruosius dvejus metus atsirado naujos rūšies ličio niobato medžiaga, ty ličio niobato plėvelė yra nulupama nuo masyvaus ličio niobato kristalo „jonų pjaustymo“ metodu ir sujungiama su Si plokštele silicio dioksido buferiniu sluoksniu, kad. sudaro LNOI (LiNbO3-On-Insulator) medžiagą [5], kuri šiame darbe vadinama plonasluoksne ličio niobato medžiaga. Ridge bangolaidžiai, kurių aukštis didesnis nei 100 nm ličio niobato bangolaidžiai 0,02), kaip parodyta 1 paveiksle. Stipriai apribotas bangolaidis leidžia lengviau suderinti šviesos lauką su mikrobangų laukas projektuojant moduliatorių. Taigi naudinga pasiekti mažesnę pusės bangos įtampą ir didesnį moduliacijos pralaidumą trumpesniu ilgiu.

Mažo nuostolio ličio niobato submikroninio bangolaidžio atsiradimas nutraukia tradicinio ličio niobato elektrooptinio moduliatoriaus aukštos varomosios įtampos kliūtį. Elektrodų atstumas gali būti sumažintas iki ~ 5 μm, o elektrinio lauko ir optinio režimo lauko persidengimas labai padidėja, o vπ · L sumažėja nuo daugiau nei 20 V · cm iki mažiau nei 2, 8 V · cm. Todėl, esant ta pačiai pusės bangos įtampai, įrenginio ilgį galima žymiai sumažinti, palyginti su tradiciniu moduliatoriumi. Tuo pačiu metu, optimizavus slenkančios bangos elektrodo pločio, storio ir intervalo parametrus, kaip parodyta paveikslėlyje, moduliatorius gali turėti itin didelį moduliacijos dažnių juostos plotį, didesnį nei 100 GHz.

1 pav. (a) apskaičiuotas režimų pasiskirstymas ir (b) LN bangolaidžio skerspjūvio vaizdas

2 pav. （a) bangolaidžio ir elektrodo struktūra ir (b) LN moduliatoriaus šerdies plokštė

Plonasluoksnių ličio niobato moduliatorių palyginimas su tradiciniais komerciniais ličio niobato moduliatoriais, silicio moduliatoriais ir indžio fosfido (InP) moduliatoriais bei kitais esamais didelės spartos elektrooptiniais moduliatoriais, pagrindiniai palyginimo parametrai:
(1) Pusės bangos volto ilgio sandauga (vπ ·L, V·cm), matuojant moduliatoriaus moduliacijos efektyvumą, kuo mažesnė reikšmė, tuo didesnis moduliacijos efektyvumas;
(2) 3 dB moduliacijos dažnių juostos plotis (GHz), matuojantis moduliatoriaus atsaką į aukšto dažnio moduliaciją;
(3) Optinio įterpimo nuostoliai (dB) moduliavimo srityje. Iš lentelės matyti, kad plonasluoksnis ličio niobato moduliatorius turi akivaizdžių pranašumų moduliacijos pralaidumo, pusės bangos įtampos, optinio interpoliacijos praradimo ir pan.

Silicis, kaip integruotos optoelektronikos kertinis akmuo, buvo sukurtas iki šiol, procesas yra subrendęs, jo miniatiūrizavimas yra palankus didelio masto aktyviųjų / pasyviųjų įrenginių integracijai, o jo moduliatorius buvo plačiai ir giliai ištirtas optinių technologijų srityje. bendravimas. Silicio elektrooptinio moduliavimo mechanizmas daugiausia yra nešiklio išeikvojimas, nešiklio įpurškimas ir nešiklio kaupimas. Tarp jų moduliatoriaus pralaidumas yra optimalus naudojant tiesinio laipsnio nešlio išeikvojimo mechanizmą, tačiau kadangi optinio lauko pasiskirstymas sutampa su išeikvojimo srities netolygumu, šis efektas sukels netiesinį antros eilės iškraipymą ir trečios eilės intermoduliacijos iškraipymą. terminai, kartu su nešiklio sugerties efektu šviesai, dėl kurio sumažės optinės moduliacijos amplitudė ir signalo iškraipymai.

InP moduliatorius turi išskirtinius elektrooptinius efektus, o daugiasluoksnė kvantinio šulinio struktūra gali realizuoti itin didelio greičio ir žemos vairavimo įtampos moduliatorius, kurių Vπ·L iki 0,156 V · mm. Tačiau lūžio rodiklio kitimas su elektriniu lauku apima tiesinius ir netiesinius terminus, o padidėjus elektrinio lauko intensyvumui, antros eilės efektas bus ryškus. Todėl silicio ir InP elektrooptiniai moduliatoriai turi pritaikyti poslinkį, kad susidarytų pn sandūra, kai jie veikia, o pn sandūra parodys absorbcijos nuostolius. Tačiau šių dviejų moduliatoriaus dydis yra mažas, komercinio InP moduliatoriaus dydis yra 1/4 LN moduliatoriaus. Didelis moduliavimo efektyvumas, tinkamas didelio tankio ir trumpo nuotolio skaitmeniniams optiniams perdavimo tinklams, pavyzdžiui, duomenų centrams. Elektrooptinis ličio niobato efektas neturi šviesos sugerties mechanizmo ir mažų nuostolių, todėl tinkamas tolimojo nuoseklumo.optinis ryšyssu dideliu pajėgumu ir dideliu greičiu. Taikant mikrobangų fotonus, Si ir InP elektrooptiniai koeficientai yra netiesiniai, o tai netinka mikrobangų fotonų sistemai, kuri siekia didelio tiesiškumo ir didelės dinamikos. Ličio niobato medžiaga labai tinka mikrobangų fotonų taikymui dėl visiškai tiesinio elektrooptinio moduliavimo koeficiento.