Voordelen en betekenis van dunne lithiumniobaatfilms in geïntegreerde microgolf-fotontechnologie
Microgolf-fotontechnologieMicrogolffotonen hebben de voordelen van een grote werkbandbreedte, een sterk vermogen tot parallelle verwerking en een laag transmissieverlies. Dit heeft de potentie om de technische beperkingen van traditionele microgolfsystemen te doorbreken en de prestaties van militaire elektronische informatieapparatuur zoals radar, elektronische oorlogsvoering, communicatie en meet- en regelapparatuur te verbeteren. Microgolffotonensystemen gebaseerd op discrete componenten kennen echter enkele problemen, zoals een groot volume, een hoog gewicht en een slechte stabiliteit, die de toepassing van microgolffotonentechnologie in ruimte- en luchtplatformen ernstig beperken. Daarom wordt geïntegreerde microgolffotonentechnologie een belangrijke ondersteuning om de toepassing van microgolffotonen in militaire elektronische informatiesystemen te bevorderen en de voordelen van microgolffotonentechnologie volledig te benutten.
Momenteel zijn op silicium (SI) en indium-nanodeeltjes (INP) gebaseerde fotonische integratietechnologieën na jarenlange ontwikkeling op het gebied van optische communicatie steeds volwassener geworden, en er zijn al veel producten op de markt gebracht. Voor de toepassing van microgolffotonen kampen deze twee soorten fotonische integratietechnologieën echter met enkele problemen: zo staat de niet-lineaire elektro-optische coëfficiënt van Si-modulatoren en InP-modulatoren haaks op de hoge lineariteit en grote dynamische eigenschappen die worden nagestreefd in microgolffotonentechnologie; zo kampt de silicium optische schakelaar die optische padschakeling realiseert, of deze nu gebaseerd is op het thermisch-optische effect, het piëzo-elektrische effect of het dispersie-effect van ladingsdragerinjectie, met problemen zoals een trage schakelsnelheid, een hoog stroomverbruik en een hoge warmteontwikkeling. Dit maakt de schakelaar ongeschikt voor snelle bundelscanning en grootschalige microgolffotonentoepassingen.
Lithiumniobaat is altijd de eerste keuze geweest voor hogesnelheidstoepassingen.elektro-optische modulatiematerialen vanwege hun uitstekende lineaire elektro-optische effect. Echter, het traditionele lithiumniobaatelektro-optische modulatorHet is gemaakt van massief lithiumniobaatkristalmateriaal en de afmetingen van het apparaat zijn erg groot, wat niet voldoet aan de eisen van geïntegreerde microgolffotontechnologie. Hoe lithiumniobaatmaterialen met een lineaire elektro-optische coëfficiënt te integreren in een geïntegreerd microgolffotontechnologiesysteem is een belangrijk onderzoeksdoel geworden. In 2018 publiceerde een onderzoeksteam van Harvard University in de Verenigde Staten voor het eerst een fotonische integratietechnologie gebaseerd op dunne lithiumniobaatfilms in Nature. Omdat deze technologie voordelen biedt zoals een hoge integratiegraad, een grote elektro-optische modulatiebandbreedte en een hoge lineariteit van het elektro-optische effect, trok ze direct de aandacht van zowel academici als de industrie op het gebied van fotonische integratie en microgolffotonica. Vanuit het perspectief van microgolffotontoepassingen bespreekt dit artikel de invloed en betekenis van fotonintegratietechnologie gebaseerd op dunne lithiumniobaatfilms op de ontwikkeling van microgolffotontechnologie.
Dunne film lithiumniobaatmateriaal en dunne filmlithiumniobaatmodulator
In de afgelopen twee jaar is een nieuw type lithiumniobaatmateriaal ontstaan, waarbij de lithiumniobaatfilm wordt afgeschilferd van het massieve lithiumniobaatkristal door middel van "ionensnijden" en vervolgens met een silicium wafer wordt verbonden met een siliciumbufferlaag om LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiaal te vormen [5], dat in dit artikel dunnefilm-lithiumniobaatmateriaal wordt genoemd. Met behulp van een geoptimaliseerd droog etsproces kunnen ribgolfgeleiders met een hoogte van meer dan 100 nanometer in dunnefilm-lithiumniobaatmaterialen worden geëtst. Het effectieve verschil in brekingsindex van de gevormde golfgeleiders kan meer dan 0,8 bedragen (veel hoger dan het verschil in brekingsindex van traditionele lithiumniobaatgolfgeleiders van 0,02), zoals weergegeven in Figuur 1. De sterk beperkte golfgeleider maakt het gemakkelijker om het lichtveld aan te passen aan het microgolfveld bij het ontwerpen van de modulator. Dit is gunstig voor het bereiken van een lagere halfgolfspanning en een grotere modulatiebandbreedte over een kortere lengte.
De introductie van een submicron golfgeleider van lithiumniobaat met lage verliezen doorbreekt de beperking van de hoge aansturingsspanning van traditionele elektro-optische modulatoren van lithiumniobaat. De afstand tussen de elektroden kan worden verkleind tot ongeveer 5 μm, de overlap tussen het elektrische veld en het optische modusveld wordt aanzienlijk vergroot en de vπ·L daalt van meer dan 20 V·cm naar minder dan 2,8 V·cm. Hierdoor kan de lengte van het apparaat bij dezelfde halfgolfspanning aanzienlijk worden gereduceerd in vergelijking met de traditionele modulator. Tegelijkertijd kan de modulator, na optimalisatie van de parameters voor de breedte, dikte en afstand van de lopende golfelektroden, zoals weergegeven in de afbeelding, een ultrahoge modulatiebandbreedte van meer dan 100 GHz bereiken.
Figuur 1 (a) berekende modusverdeling en (b) afbeelding van de dwarsdoorsnede van een LN-golfgeleider
Figuur 2 (a) Golfgeleider- en elektrodenstructuur en (b) kernplaat van de LN-modulator
Bij de vergelijking van dunnefilm-lithiumniobaatmodulatoren met traditionele commerciële lithiumniobaatmodulatoren, siliciumgebaseerde modulatoren en indiumfosfide (InP)-modulatoren en andere bestaande snelle elektro-optische modulatoren, omvatten de belangrijkste parameters van de vergelijking:
(1) Halfgolfspanning-lengteproduct (vπ ·L, V·cm), dat de modulatie-efficiëntie van de modulator meet; hoe kleiner de waarde, hoe hoger de modulatie-efficiëntie;
(2) 3 dB modulatiebandbreedte (GHz), die de respons van de modulator op hoogfrequente modulatie meet;
(3) Optisch invoegverlies (dB) in het modulatiegebied. Uit de tabel blijkt dat de dunnefilm-lithiumniobaatmodulator duidelijke voordelen heeft op het gebied van modulatiebandbreedte, halfgolfspanning, optisch interpolatieverlies, enzovoort.
Silicium, als hoeksteen van geïntegreerde opto-elektronica, is inmiddels zo ver ontwikkeld dat het productieproces volwassen is. De miniaturisatie ervan bevordert de grootschalige integratie van actieve en passieve componenten, en de modulator ervan is uitgebreid en diepgaand bestudeerd op het gebied van optische communicatie. Het elektro-optische modulatiemechanisme van silicium bestaat hoofdzakelijk uit ladingsdrageruitputting, ladingsdragerinjectie en ladingsdrageraccumulatie. De bandbreedte van de modulator is optimaal bij een lineair ladingsdrageruitputtingsmechanisme. Echter, doordat de optische veldverdeling overlapt met de niet-uniformiteit van het uitputtingsgebied, introduceert dit effect niet-lineaire tweede-orde vervorming en derde-orde intermodulatievervormingstermen. In combinatie met het absorptie-effect van de ladingsdragers op het licht, leidt dit tot een vermindering van de optische modulatieamplitude en signaalvervorming.
De InP-modulator heeft uitstekende elektro-optische eigenschappen, en de meerlaagse kwantumputstructuur maakt ultrasnelle modulatoren met een lage aansturingsspanning mogelijk, met een Vπ·L-waarde tot 0,156 V·mm. De variatie van de brekingsindex met het elektrische veld omvat echter lineaire en niet-lineaire termen, en de toename van de elektrische veldsterkte zal het tweede-orde-effect prominent maken. Daarom moeten silicium- en InP-elektro-optische modulatoren een bias-spanning toepassen om een pn-junctie te vormen tijdens gebruik, wat echter absorptieverlies voor licht met zich meebrengt. De modulatoren van deze twee materialen zijn echter klein; de commerciële InP-modulator is slechts een kwart van de grootte van een LN-modulator. Ze hebben een hoge modulatie-efficiëntie en zijn geschikt voor digitale optische transmissienetwerken met een hoge dichtheid en korte afstanden, zoals datacenters. Het elektro-optische effect van lithiumniobaat kent geen lichtabsorptiemechanisme en heeft een laag verlies, waardoor het geschikt is voor coherente transmissie over lange afstanden.optische communicatiemet een grote capaciteit en een hoge snelheid. Bij microgolf-fotontoepassingen zijn de elektro-optische coëfficiënten van Si en InP niet-lineair, wat niet geschikt is voor microgolf-fotonsystemen die een hoge lineariteit en een grote dynamiek nastreven. Lithiumniobaat is zeer geschikt voor microgolf-fotontoepassingen vanwege de volledig lineaire elektro-optische modulatiecoëfficiënt.
Geplaatst op: 22 april 2024