Plonasluoksnio ličio niobato privalumai ir reikšmė integruotoje mikrobangų fotonų technologijoje
Mikrobangų fotonų technologijaturi didelio darbinio pralaidumo, stiprios lygiagretaus apdorojimo galimybės ir mažų perdavimo nuostolių pranašumus, kurie gali padėti įveikti tradicinių mikrobangų sistemų techninius trūkumus ir pagerinti karinės elektroninės informacijos įrangos, tokios kaip radarai, elektroninė kova, ryšiai, matavimas ir valdymas, našumą. Tačiau mikrobangų fotonų sistema, pagrįsta atskirais įrenginiais, turi tam tikrų problemų, tokių kaip didelis tūris, sunkus svoris ir prastas stabilumas, kurios labai riboja mikrobangų fotonų technologijos taikymą kosminėse ir ore esančiose platformose. Todėl integruota mikrobangų fotonų technologija tampa svarbia priemone, siekiant panaikinti mikrobangų fotonų taikymą karinėje elektroninėje informacijos sistemoje ir visapusiškai išnaudoti mikrobangų fotonų technologijos privalumus.
Šiuo metu SI pagrindu sukurtos fotoninės integracijos technologijos ir INP pagrindu sukurtos fotoninės integracijos technologijos po daugelio metų plėtros optinio ryšio srityje tapo vis brandesnės, o rinkoje pasirodė daug produktų. Tačiau taikant mikrobangų fotonus, šios dvi fotonų integracijos technologijos turi tam tikrų problemų: pavyzdžiui, netiesinis Si moduliatoriaus ir InP moduliatoriaus elektrooptinis koeficientas prieštarauja dideliam tiesiškumui ir didelėms dinaminėms charakteristikoms, kurių siekia mikrobangų fotonų technologija; pavyzdžiui, silicio optinis jungiklis, realizuojantis optinio kelio perjungimą, nesvarbu, ar jis pagrįstas šiluminiu-optiniu efektu, pjezoelektriniu efektu, ar nešiklio įpurškimo dispersijos efektu, turi lėto perjungimo greičio, energijos ir šilumos suvartojimo problemų, kurios negali atitikti greito spindulių skenavimo ir didelio masto mikrobangų fotonų pritaikymo reikalavimų.
Ličio niobatas visada buvo pirmasis pasirinkimas didelio greičio technologijoms.elektrooptinė moduliacijamedžiagos dėl puikaus tiesinio elektrooptinio efekto. Tačiau tradicinis ličio niobataselektrooptinis moduliatoriusyra pagamintas iš masyvios ličio niobato kristalinės medžiagos, o įrenginio dydis yra labai didelis, todėl jis negali patenkinti integruotos mikrobangų fotonų technologijos poreikių. Atitinkamų tyrėjų tikslas tapo tai, kaip integruotoje mikrobangų fotonų technologijos sistemoje integruoti ličio niobato medžiagas su linijiniu elektrooptiniu koeficientu. 2018 m. Harvardo universiteto (JAV) tyrėjų komanda pirmą kartą žurnale „Nature“ pranešė apie plonasluoksnio ličio niobato pagrindu sukurtą fotoninės integracijos technologiją. Kadangi ši technologija pasižymi dideliu integracijos lygiu, dideliu elektrooptinės moduliacijos pralaidumu ir dideliu elektrooptinio efekto tiesiškumu, vos tik ji buvo pristatyta, ji iš karto sulaukė akademinio ir pramoninio dėmesio fotoninės integracijos ir mikrobangų fotonikos srityje. Šiame straipsnyje, atsižvelgiant į mikrobangų fotonų taikymą, apžvelgiama plonasluoksnio ličio niobato pagrindu sukurtos fotonų integracijos technologijos įtaka ir reikšmė mikrobangų fotonų technologijos plėtrai.
Plonasluoksnė ličio niobato medžiaga ir plona plėvelėličio niobato moduliatorius
Per pastaruosius dvejus metus atsirado naujo tipo ličio niobato medžiaga, t. y. ličio niobato plėvelė yra nušveičiama nuo masyvaus ličio niobato kristalo „jonų pjaustymo“ metodu ir sujungiama su Si plokštele silicio dioksido buferiniu sluoksniu, kad susidarytų LNOI (LiNbO3 ant izoliatoriaus) medžiaga [5], kuri šiame straipsnyje vadinama plonasluoksne ličio niobato medžiaga. Optimizuotu sauso ėsdinimo procesu ant plonasluoksnių ličio niobato medžiagų galima išėsdinti daugiau nei 100 nanometrų aukščio keterinius bangolaidžius, o susidariusių bangolaidžių efektyvus lūžio rodiklio skirtumas gali siekti daugiau nei 0,8 (daug didesnis nei tradicinių ličio niobato bangolaidžių lūžio rodiklio skirtumas – 0,02), kaip parodyta 1 paveiksle. Stipriai apribotas bangolaidis leidžia lengviau suderinti šviesos lauką su mikrobangų lauku projektuojant moduliatorių. Taigi, naudinga pasiekti mažesnę pusbangės įtampą ir didesnį moduliacijos pralaidumą trumpesniu ilgiu.
Mažo nuostolio ličio niobato submikroninio bangolaidžio atsiradimas pašalina tradicinio ličio niobato elektrooptinio moduliatoriaus didelės varomosios įtampos kliūtį. Elektrodų atstumą galima sumažinti iki ~5 μm, o elektrinio lauko ir optinio režimo lauko persidengimą gerokai padidinti, o vπ ·L sumažėja nuo daugiau nei 20 V·cm iki mažiau nei 2,8 V·cm. Todėl, esant tai pačiai pusbangės įtampai, įrenginio ilgį galima gerokai sumažinti, palyginti su tradiciniu moduliatoriumi. Tuo pačiu metu, optimizavus keliaujančios bangos elektrodo pločio, storio ir intervalo parametrus, kaip parodyta paveikslėlyje, moduliatorius gali pasiekti itin didelį moduliacijos pralaidumą, didesnį nei 100 GHz.
1 pav. (a) apskaičiuotas modų pasiskirstymas ir (b) LN bangolaidžio skerspjūvio vaizdas
2 pav. (a) Bangolaidžio ir elektrodo struktūra ir (b) LN moduliatoriaus pagrindinė plokštė
Plonasluoksnių ličio niobato moduliatorių palyginimas su tradiciniais komerciniais ličio niobato moduliatoriais, silicio pagrindo moduliatoriais ir indžio fosfido (InP) moduliatoriais bei kitais esamais didelės spartos elektrooptiniais moduliatoriais. Pagrindiniai palyginimo parametrai:
(1) Pusbangės volto ir ilgio sandauga (vπ ·L, V·cm), matuojanti moduliatoriaus moduliacijos efektyvumą, kuo mažesnė vertė, tuo didesnis moduliacijos efektyvumas;
(2) 3 dB moduliacijos pralaidumas (GHz), kuris matuoja moduliatoriaus atsaką į aukšto dažnio moduliaciją;
(3) Optinis įterpimo nuostolis (dB) moduliacijos srityje. Iš lentelės matyti, kad plonasluoksnis ličio niobato moduliatorius turi akivaizdžių pranašumų moduliacijos pralaidumo, pusbangės įtampos, optinio interpoliacijos nuostolių ir kt. srityse.
Silicis, kaip integruotos optoelektronikos kertinis akmuo, buvo iki šiol išvystytas, procesas yra brandus, jo miniatiūrizavimas skatina didelio masto aktyviųjų/pasyviųjų įtaisų integraciją, o jo moduliatorius buvo plačiai ir nuodugniai ištirtas optinio ryšio srityje. Silicio elektrooptinės moduliacijos mechanizmas daugiausia yra nešėjų išeikvojimas, nešėjų įpurškimas ir nešėjų kaupimas. Tarp jų moduliatoriaus pralaidumas yra optimalus su tiesinio laipsnio nešėjų išeikvojimo mechanizmu, tačiau kadangi optinio lauko pasiskirstymas sutampa su išeikvojimo srities netolygumu, šis efektas sukels netiesinius antros eilės iškraipymus ir trečios eilės intermoduliacijos iškraipymus, kartu su nešiklio absorbcijos poveikiu šviesai, o tai sumažins optinės moduliacijos amplitudę ir signalo iškraipymą.
InP moduliatorius pasižymi išskirtiniais elektrooptiniais efektais, o daugiasluoksnė kvantinių šulinių struktūra gali realizuoti itin didelės spartos ir mažos varomosios įtampos moduliatorius, kurių Vπ·L gali siekti iki 0,156 V · mm. Tačiau lūžio rodiklio kitimas priklausomai nuo elektrinio lauko apima tiesinius ir netiesinius terminus, o didėjant elektrinio lauko intensyvumui, antros eilės efektas išryškės. Todėl silicio ir InP elektrooptiniai moduliatoriai, veikdami, turi taikyti poslinkį, kad susidarytų pn sandūra, o pn sandūra sukels šviesos absorbcijos nuostolius. Tačiau šių dviejų moduliatorių dydis yra mažas, komercinio InP moduliatoriaus dydis yra 1/4 LN moduliatoriaus. Didelis moduliacijos efektyvumas, tinka didelio tankio ir trumpo nuotolio skaitmeniniams optiniams perdavimo tinklams, tokiems kaip duomenų centrai. Ličio niobato elektrooptinis efektas neturi šviesos absorbcijos mechanizmo ir turi mažus nuostolius, todėl tinka ilgo nuotolio koherentinei perdavimui.optinis ryšyssu didele talpa ir dideliu greičiu. Mikrobangų fotonų taikyme Si ir InP elektrooptiniai koeficientai yra netiesiniai, o tai netinka mikrobangų fotonų sistemai, kuri siekia didelio tiesiškumo ir didelės dinamikos. Ličio niobatas labai tinka mikrobangų fotonų taikymams dėl visiškai tiesinio elektrooptinio moduliacijos koeficiento.
Įrašo laikas: 2024 m. balandžio 22 d.