Voordelen en betekenis van dunne film lithiumniobaat in geïntegreerde microgolffotontechnologie
Microgolffotontechnologieheeft de voordelen van een grote werkbandbreedte, een sterk parallel verwerkingsvermogen en een laag transmissieverlies, wat het potentieel heeft om het technische knelpunt van traditionele microgolfsystemen te doorbreken en de prestaties van militaire elektronische informatieapparatuur zoals radar, elektronische oorlogsvoering, communicatie en meting te verbeteren. controle.Het op discrete apparaten gebaseerde microgolffotonensysteem heeft echter enkele problemen, zoals een groot volume, een zwaar gewicht en een slechte stabiliteit, die de toepassing van microgolffotonentechnologie op platforms in de ruimte en in de lucht ernstig beperken.Daarom wordt geïntegreerde microgolffotontechnologie een belangrijke ondersteuning om de toepassing van microgolffoton in militaire elektronische informatiesystemen te doorbreken en de voordelen van microgolffotontechnologie ten volle te benutten.
Momenteel zijn de op SI gebaseerde fotonische integratietechnologie en de op INP gebaseerde fotonische integratietechnologie steeds volwassener geworden na jaren van ontwikkeling op het gebied van optische communicatie, en zijn er veel producten op de markt gebracht.Voor de toepassing van microgolffotonen zijn er echter enkele problemen bij deze twee soorten fotonintegratietechnologieën: de niet-lineaire elektro-optische coëfficiënt van Si-modulator en InP-modulator is bijvoorbeeld in strijd met de hoge lineariteit en grote dynamische kenmerken die door microgolfstraling worden nagestreefd. fotontechnologie;De optische siliciumschakelaar die optische padschakeling realiseert, ongeacht of deze gebaseerd is op thermisch-optisch effect, piëzo-elektrisch effect of dragerinjectie-dispersie-effect, heeft bijvoorbeeld de problemen van een langzame schakelsnelheid, stroomverbruik en warmteverbruik, die niet kunnen voldoen aan de snelle bundelscanning en grootschalige microgolffotontoepassingen.
Lithiumniobaat is altijd de eerste keuze geweest voor hoge snelhedenelektro-optische modulatiematerialen vanwege het uitstekende lineaire elektro-optische effect.Echter, het traditionele lithiumniobaatelektro-optische modulatoris gemaakt van massief lithiumniobaatkristalmateriaal en de apparaatgrootte is erg groot, wat niet kan voldoen aan de behoeften van geïntegreerde microgolffotontechnologie.Hoe lithiumniobaatmaterialen met lineaire elektro-optische coëfficiënt kunnen worden geïntegreerd in het geïntegreerde microgolffotontechnologiesysteem 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 gebaseerd op dunne film lithiumniobaat in de natuur, omdat de technologie de voordelen heeft van hoge integratie, grote elektro-optische modulatiebandbreedte en hoge lineariteit van elektro -optisch effect: zodra het gelanceerd werd, trok het onmiddellijk de academische en industriële aandacht op het gebied van fotonische integratie en microgolffotonica.Vanuit het perspectief van de toepassing van microgolffotonen bespreekt dit artikel de invloed en betekenis van fotonintegratietechnologie gebaseerd op dunne film lithiumniobaat op de ontwikkeling van microgolffotontechnologie.
Dunne film lithiumniobaatmateriaal en dunne filmlithiumniobaat modulator
In de afgelopen twee jaar is er een nieuw type lithiumniobaatmateriaal ontstaan, dat wil zeggen dat de lithiumniobaatfilm wordt geëxfolieerd van het massieve lithiumniobaatkristal door middel van de methode van ‘ion-slicing’ en aan de Si-wafel wordt gebonden met een silicabufferlaag om vormen LNOI-materiaal (LiNbO3-On-Insulator) [5], dat in dit artikel dunne-film lithiumniobaatmateriaal wordt genoemd.Ridge-golfgeleiders met een hoogte van meer dan 100 nanometer kunnen worden geëtst op dunne-film lithiumniobaatmaterialen door een geoptimaliseerd droog etsproces, en het effectieve brekingsindexverschil van de gevormde golfgeleiders kan meer dan 0,8 bereiken (veel hoger dan het brekingsindexverschil van traditioneel lithiumniobaat-golfgeleiders 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 in een kortere lengte te bereiken.
Het verschijnen van een lithiumniobaat-submicrongolfgeleider met laag verlies doorbreekt het knelpunt van de hoge aandrijfspanning van de traditionele elektro-optische modulator van lithiumniobaat.De afstand tussen de elektroden kan worden verkleind tot ~5 μm, en de overlap tussen het elektrische veld en het optische modusveld wordt aanzienlijk vergroot, en de vπ ·L neemt af van meer dan 20 V·cm tot minder dan 2,8 V·cm.Daarom kan bij dezelfde halvegolfspanning de lengte van het apparaat aanzienlijk worden verminderd in vergelijking met de traditionele modulator.Tegelijkertijd kan de modulator, na het optimaliseren van de parameters van de breedte, dikte en interval van de lopende golfelektrode, zoals weergegeven in de figuur, het vermogen hebben van een ultrahoge modulatiebandbreedte van meer dan 100 GHz.
Fig.1 (a) berekende modusverdeling en (b) afbeelding van de dwarsdoorsnede van de LN-golfgeleider
Fig.2 (a) Golfgeleider- en elektrodestructuur en (b) kernplaat van LN-modulator
Bij de vergelijking van dunne-film lithiumniobaatmodulatoren met traditionele commerciële lithiumniobaatmodulatoren, op silicium gebaseerde modulatoren en indiumfosfide (InP) modulatoren en andere bestaande snelle elektro-optische modulatoren, zijn de belangrijkste parameters van de vergelijking onder meer:
(1) Halve golf voltlengteproduct (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 dunne-film lithiumniobaatmodulator duidelijke voordelen heeft op het gebied van modulatiebandbreedte, halfgolfspanning, optisch interpolatieverlies enzovoort.
Silicium, als de hoeksteen van geïntegreerde opto-elektronica, is tot nu toe ontwikkeld, het proces is volwassen, de miniaturisering ervan is bevorderlijk voor de grootschalige integratie van actieve/passieve apparaten, en de modulator ervan is uitgebreid en diepgaand bestudeerd op het gebied van optische technologie. communicatie.Het elektro-optische modulatiemechanisme van silicium bestaat voornamelijk uit het uitputten van dragers, het injecteren van dragers en het accumuleren van dragers.Onder hen is de bandbreedte van de modulator optimaal met het lineaire draaggolfuitputtingsmechanisme, maar omdat de optische veldverdeling overlapt met de niet-uniformiteit van het uitputtingsgebied, zal dit effect niet-lineaire tweede-orde vervorming en derde-orde intermodulatievervorming introduceren. termen, gekoppeld aan het absorptie-effect van de draaggolf op het licht, wat zal leiden tot de vermindering van de optische modulatieamplitude en signaalvervorming.
De InP-modulator heeft uitstekende elektro-optische effecten, en de meerlaagse kwantumputstructuur kan modulators met ultrahoge snelheid en lage aandrijfspanning realiseren met Vπ·L tot 0,156 V · mm.De variatie van de brekingsindex met een 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 elektro-optische modulatoren van silicium en InP een voorspanning toepassen om een pn-overgang te vormen wanneer ze werken, en een pn-overgang 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 afstanden, zoals datacenters.Het elektro-optische effect van lithiumniobaat heeft geen lichtabsorptiemechanisme en een laag verlies, wat geschikt is voor coherente lange afstandenoptische communicatiemet grote capaciteit en hoge snelheid.In de microgolffotontoepassing 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.Het lithiumniobaatmateriaal is zeer geschikt voor microgolffotonentoepassing vanwege zijn volledig lineaire elektro-optische modulatiecoëfficiënt.
Posttijd: 22 april 2024