Voordelen en betekenis van dunnefilmlithiumniobaat in geïntegreerde microgolffotonentechnologie
MicrogolffotontechnologieHeeft de voordelen van een grote werkbandbreedte, sterke parallelle verwerkingsmogelijkheden en een laag transmissieverlies, wat de potentie heeft om de technische knelpunten van traditionele microgolfsystemen te doorbreken en de prestaties van militaire elektronische informatieapparatuur zoals radar, elektronische oorlogsvoering, communicatie en meet- en regeltechniek te verbeteren. Het microgolffotonsysteem gebaseerd op discrete apparaten heeft echter enkele problemen, zoals een groot volume, zwaar gewicht en slechte stabiliteit, die de toepassing van microgolffotontechnologie in ruimte- en luchtplatforms ernstig beperken. Daarom wordt geïntegreerde microgolffotontechnologie een belangrijk hulpmiddel om de toepassing van microgolffoton in militaire elektronische informatiesystemen te doorbreken en de voordelen ervan volledig te benutten.
Momenteel zijn SI-gebaseerde fotonische integratietechnologie en INP-gebaseerde fotonische integratietechnologie na jaren van ontwikkeling op het gebied van optische communicatie steeds volwassener geworden en zijn er talloze producten op de markt gebracht. Voor de toepassing van microgolffotonen doen zich echter enkele problemen voor bij deze twee soorten fotonintegratietechnologieën: zo staat de niet-lineaire elektro-optische coëfficiënt van de Si-modulator en InP-modulator in strijd met de hoge lineariteit en dynamische eigenschappen die microgolffotonentechnologie nastreeft. Zo heeft de optische siliciumschakelaar die optische padschakeling realiseert, of dit nu gebaseerd is op thermisch-optisch effect, piëzo-elektrisch effect of dragerinjectiedispersie-effect, problemen met een lage schakelsnelheid, een laag stroomverbruik en een laag warmteverbruik. Dit maakt de schakelaar niet geschikt voor snelle bundelscanning en grootschalige microgolffotontoepassingen.
Lithiumniobaat is altijd de eerste keuze geweest voor hoge snelheidelektro-optische modulatiematerialen vanwege het uitstekende lineaire elektro-optische effect. Het traditionele lithiumniobaatelektro-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 niobaat materialen met lineaire elektro-optische coëfficiënt te integreren in het geïntegreerde microgolffotonentechnologiesysteem is het doel geworden van relevante onderzoekers. In 2018 rapporteerde een onderzoeksteam van Harvard University in de Verenigde Staten voor het eerst de fotonische integratietechnologie gebaseerd op dunne film lithium niobaat in Nature, omdat de technologie de voordelen heeft van hoge integratie, grote elektro-optische modulatiebandbreedte en hoge lineariteit van het elektro-optische effect, eenmaal gelanceerd, veroorzaakte het onmiddellijk de academische en industriële aandacht op het gebied van fotonische integratie en microgolffotonica. Vanuit het perspectief van microgolffotonentoepassing bespreekt dit artikel de invloed en betekenis van fotonintegratietechnologie gebaseerd op dunne film lithium niobaat op de ontwikkeling van microgolffotonentechnologie.
Dunnefilm lithium niobaat materiaal en dunnefilmlithium niobaat modulator
In de afgelopen twee jaar is een nieuw type lithiumniobaatmateriaal ontstaan, dat wil zeggen dat de lithiumniobaatfilm wordt afgescheiden van het massieve lithiumniobaatkristal door middel van "ion slicing" en met een silicabufferlaag aan de Si-wafer wordt gebonden om LNOI-materiaal (LiNbO3-On-Insulator) te vormen [5], dat in dit artikel dunnefilmlithiumniobaatmateriaal wordt genoemd. Ridge-golfgeleiders met een hoogte van meer dan 100 nanometer kunnen worden geëtst op dunnefilmlithiumniobaatmaterialen door middel van een geoptimaliseerd droogetsproces, en het effectieve brekingsindexverschil van de gevormde golfgeleiders kan meer dan 0,8 bereiken (veel hoger dan het brekingsindexverschil van traditionele lithiumniobaatgolfgeleiders van 0,02), zoals weergegeven in figuur 1. De sterk beperkte golfgeleider maakt het gemakkelijker om het lichtveld af te stemmen op het microgolfveld bij het ontwerpen van de modulator. Het is dus gunstig om een lagere halvegolfspanning en een grotere modulatiebandbreedte te bereiken in een kortere lengte.
De aanwezigheid van een lithium-niobaat submicron golfgeleider met laag verlies doorbreekt de bottleneck van de hoge stuurspanning van traditionele lithium-niobaat elektro-optische modulatoren. De elektrode-afstand kan worden verkleind tot ~ 5 μm, en de overlap tussen het elektrische veld en het optische veld wordt aanzienlijk vergroot, waarbij de vπ · L afneemt van meer dan 20 V·cm tot minder dan 2,8 V·cm. Daarom kan de lengte van het apparaat bij dezelfde halvegolfspanning aanzienlijk worden verkort in vergelijking met de traditionele modulator. Tegelijkertijd kan de modulator, na optimalisatie van de parameters van de breedte, dikte en het interval van de lopende-golfelektrode, 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 de LN-golfgeleider
Figuur 2 (a) Golfgeleider- en elektrodestructuur en (b) kernplaat van LN-modulator
Bij de vergelijking van dunnefilmlithium-niobaatmodulatoren met traditionele commerciële lithium-niobaatmodulatoren, op silicium gebaseerde modulatoren, indiumfosfide (InP)-modulatoren en andere bestaande snelle elektro-optische modulatoren, zijn de belangrijkste parameters van de vergelijking:
(1) Halve-golf volt-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 dunnefilm-lithiumniobaatmodulatoren duidelijke voordelen bieden op het gebied van modulatiebandbreedte, halvegolfspanning, optisch interpolatieverlies, enzovoort.
Silicium, als hoeksteen van geïntegreerde opto-elektronica, is tot nu toe ontwikkeld, het proces is volwassen, de miniaturisatie ervan is bevorderlijk voor de grootschalige integratie van actieve/passieve apparaten, en de modulator ervan is uitgebreid en diepgaand bestudeerd in het veld van optische communicatie. Het elektro-optische modulatiemechanisme van silicium bestaat voornamelijk uit het verwijderen van ladingdragers, het injecteren van ladingdragers en het accumuleren van ladingdragers. De bandbreedte van de modulator is optimaal met het lineaire mechanisme voor ladingdragerverwijdering. Omdat de optische veldverdeling echter overlapt met de niet-uniformiteit van het verarmingsgebied, zal dit effect niet-lineaire tweede-orde vervorming en derde-orde intermodulatievervorming introduceren, in combinatie met het absorptie-effect van de ladingdrager op het licht, wat zal leiden tot een vermindering van de optische modulatieamplitude en signaalvervorming.
De InP-modulator heeft uitstekende elektro-optische effecten en de meerlaagse kwantumputstructuur kan modulatoren met ultrahoge snelheid en lage aandrijfspanning realiseren met Vπ·L 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 elektro-optische modulatoren van silicium en InP een bias toepassen om een pn-overgang te vormen wanneer ze werken, en een pn-overgang zal absorptieverlies aan licht veroorzaken. 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 afstanden, zoals datacenters. Het elektro-optische effect van lithiumniobaat heeft geen lichtabsorptiemechanisme en een laag verlies, wat geschikt is voor coherente transmissie over lange afstanden.optische communicatieMet een grote capaciteit en hoge snelheid. Bij microgolffotontoepassingen zijn de elektro-optische coëfficiënten van Si en InP niet-lineair, wat niet geschikt is voor het microgolffotonsysteem dat een hoge lineariteit en grote dynamiek nastreeft. Lithiumniobaat is zeer geschikt voor microgolffotontoepassingen vanwege de volledig lineaire elektro-optische modulatiecoëfficiënt.
Plaatsingstijd: 22-04-2024