Voordelen en betekenis van dunne film lithium niobaat in geïntegreerde microgolf fotontechnologie
Magnetron fotontechnologieheeft de voordelen van grote werkende bandbreedte, een sterk parallel verwerkingsvermogen en lage transmissieverlies, die het potentieel heeft om het technische knelpunt van het traditionele microgolfsysteem te doorbreken en de prestaties van militaire elektronische informatieapparatuur zoals radar, elektronische oorlogvoering, communicatie en meet- en controle te verbeteren. Het magnetronfotonensysteem op basis van discrete apparaten heeft echter enkele problemen, zoals groot volume, zwaar gewicht en slechte stabiliteit, die de toepassing van magnetronfotonentechnologie in ruimtevaart en platforms in de lucht ernstig beperken. Daarom wordt geïntegreerde microgolf fotontechnologie een belangrijke ondersteuning om de toepassing van magnetronfoton in het militaire elektronische informatiesysteem te doorbreken en volledig te spelen aan de voordelen van microgolf fotontechnologie.
Momenteel zijn op SI-gebaseerde fotonische integratietechnologie en op INP gebaseerde fotonische integratietechnologie steeds volwassener geworden na jaren van ontwikkeling op het gebied van optische communicatie, en er zijn veel producten op de markt gebracht. Voor de toepassing van magnetronfoton zijn er echter enkele problemen in deze twee soorten fotonintegratietechnologieën: bijvoorbeeld is de niet-lineaire elektro-optische coëfficiënt van SI-modulator en INP-modulator in strijd met de hoge lineariteit en grote dynamische kenmerken die worden nagestreefd door microgolffotonentechnologie; Bijvoorbeeld, de optische silicium optische schakelaar die zich realiseert dat optische padomschakeling, of het nu gaat om thermisch optisch effect, piëzo-elektrisch effect of dispersie-injectie-injectie-effect, heeft de problemen van langzame schakelsnelheid, stroomverbruik en warmteverbruik, die niet kunnen voldoen aan de snelle bundelscanning en grote array-microwave-fotonoepassingen.
Lithium Niobate is altijd de eerste keuze geweest voor hoge snelheidelektro-optische modulatieMaterialen vanwege het uitstekende lineaire elektro-optische effect. Het traditionele lithium -niobaat echterelektro-optische modulatoris gemaakt van massief lithium niobaat kristalmateriaal, en de apparaatgrootte is erg groot, wat niet kan voldoen aan de behoeften van geïntegreerde microgolffotonentechnologie. Hoe lithium niobaatmaterialen te integreren met lineaire elektro-optische coëfficiënt in het geïntegreerde microgolffotonentechnologiesysteem is het doel geworden van relevante onderzoekers. In 2018 rapporteerde een onderzoeksteam van de Harvard University in de Verenigde Staten voor het eerst de fotonische integratietechnologie op basis van dunne filmlithium niobaat in de natuur, omdat de technologie de voordelen heeft van hoge integratie, grote elektro-optische modulatiebandbreedte en hoge lineariteit van elektro-optische effect, eenmaal gelanceerd, het veroorzaakte onmiddellijk de academische en industriële aandacht in het veld van fotonische fotonics. Vanuit het perspectief van de toepassing van de microgolffotonen bespreekt dit artikel de invloed en het belang van fotonintegratietechnologie op basis van dunne filmlithiumniobaat over de ontwikkeling van microgolf fotontechnologie.
Dunne film lithium niobaatmateriaal en dunne filmlithium niobate modulator
In de afgelopen twee jaar is er een nieuw type lithium niobaatmateriaal ontstaan, dat wil zeggen dat de lithium niobaatfilm wordt geëxfolieerd uit het massieve lithium niobaat kristal door de methode van "ions snijden" en gebonden aan de Si Wafer met een siliciumbuffer lagen om lnoi te vormen (linbo3-op-insulatie) materiaal [5], die dunne film lithium niobaatmateriaal in dit papier wordt genoemd. Ridge -golfgeleiders met een hoogte van meer dan 100 nanometer kunnen worden geëtst op dunne filmlithium niobaatmaterialen door een geoptimaliseerd droog etsenproces, en het effectieve brekingsindexverschil van de gevormde golfgeleiders kan meer dan 0,8 bereiken (veel hoger dan de brekingsindexverschil van het lichte veld. Magnetronveld bij het ontwerpen van de modulator. Het is dus gunstig om een lagere halfgolfspanning en grotere modulatiebandbreedte in een kortere lengte te bereiken.
Het uiterlijk van lithium lithium niobaat submicron golfgeleider breekt het knelpunt van hoge rijspanning van traditionele lithium niobaatelektro-optische modulator. De elektrodeafstand kan worden gereduceerd tot ~ 5 μm, en de overlapping tussen het elektrische veld en het optische modusveld is sterk verhoogd en de Vπ · L neemt af van meer dan 20 V · cm tot minder dan 2,8 V · cm. Daarom kan onder dezelfde halve golfspanning de lengte van het apparaat sterk worden verminderd in vergelijking met de traditionele modulator. Tegelijkertijd, na het optimaliseren van de parameters van de breedte, dikte en interval van de reizende golfelektrode, zoals weergegeven in de figuur, kan de modulator het vermogen hebben van ultrahoge modulatiebandbreedte groter dan 100 GHz.
Fig.1 （A） Berekende modusverdeling en （B） Afbeelding van de dwarsdoorsnede van LN WaveGuide
Fig.2 （A） golfgeleider en elektrodestructuur en （b） kernplaat van LN -modulator
De vergelijking van dunne filmlithium niobaatmodulatoren met traditionele lithium niobaat commerciële modulatoren, siliciumgebaseerde modulatoren en indiumfosfide (INP) -modulatoren en andere bestaande high-speed elektro-optische modulatoren, de belangrijkste parameters van de vergelijking omvatten:
(1) halfgolf volt-lengte product (vπ · l, v · cm), het meten van de modulatie-efficiëntie van de modulator, 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 is te zien dat dunne filmlithium niobaatmodulator duidelijke voordelen heeft in modulatiebandbreedte, halfgolfspanning, optisch interpolatieverlies enzovoort.
Silicium, zoals de hoeksteen van geïntegreerde opto-elektronica, tot nu toe is ontwikkeld, het proces is volwassen, de miniaturisatie is bevorderlijk voor de grootschalige integratie van actieve/passieve apparaten, en de modulator is breed en diep bestudeerd op het gebied van optische communicatie. Het elektro-optische modulatiemechanisme van silicium is voornamelijk drageruitputting, dragerinjectie en accumulatie van de drager. Onder hen is de bandbreedte van de modulator optimaal met het lineaire graad drageruitputtingsmechanisme, maar omdat de optische velddistributie overlapt met de niet-uniformiteit van het uitputtingsgebied, zal dit effect niet-lineaire tweede-orde vervorming en signaalvervorming in de tweede-orde introduceren en signaal van de optische modulatie-vervorming en signaalvermindering en signaalvermindering en signaalvermindering en signaalvermindering en signaalvermindering introduceren.
De INP-modulator heeft uitstekende elektro-optische effecten, en de kwantumwell structuur met meerdere lagen kan ultrahoge snelheid en lage rijspanningsmodulatoren realiseren met Vπ · l tot 0,156V · mm. De variatie van brekingsindex met elektrisch veld omvat echter lineaire en niet-lineaire termen, en de toename van de elektrische veldintensiteit zal het tweede-orde effect prominent maken. Daarom moeten silicium- en INP-elektro-optische modulatoren bias aanbrengen om PN-junctie te vormen wanneer ze werken, en PN junctie zal absorptieverlies aan het licht brengen. De modulatorgrootte van deze twee is echter klein, de commerciële inp -modulatorgrootte is 1/4 van de LN -modulator. Hoge modulatie -efficiëntie, geschikt voor digitale optische transmissienetwerken met hoge dichtheid en korte afstand, zoals datacenters. Het elektro-optische effect van lithiumniobaat heeft geen lichtabsorptiemechanisme en laag verlies, dat geschikt is voor coherent op lange afstandoptische communicatiemet grote capaciteit en hoog tarief. In de microgolffotonentoepassing zijn de elektro-optische coëfficiënten van SI en INP niet-lineair, wat niet geschikt is voor het microgolf fotonsysteem dat hoge lineariteit en grote dynamiek nastreeft. Het lithiumniobaatmateriaal is zeer geschikt voor het aanbrengen van de microgolffotonen vanwege de volledig lineaire elektro-optische modulatiecoëfficiënt.
Posttijd: APR-22-2024