Õhukese kilega liitiumniobaadi eelised ja tähtsus integreeritud mikrolaine-footontehnoloogias
Mikrolaine-footontehnoloogiaSellel on eelised suure tööribalaiuse, tugeva paralleelse töötlemise võime ja väikese edastuskao poolest, mis võib potentsiaalselt ületada traditsioonilise mikrolainesüsteemi tehnilised kitsaskohad ja parandada sõjaliste elektrooniliste teabeseadmete, näiteks radarite, elektroonilise sõjapidamise, side ning mõõtmise ja juhtimise jõudlust. Diskreetsetel seadmetel põhineval mikrolainefootonsüsteemil on aga mõningaid probleeme, nagu suur maht, raske kaal ja halb stabiilsus, mis piiravad tõsiselt mikrolainefootontehnoloogia rakendamist kosmoses ja õhus töötavatel platvormidel. Seetõttu on integreeritud mikrolainefootontehnoloogiast saamas oluline tugi mikrolainefootontehnoloogia rakendamisel sõjalistes elektroonilistes teabesüsteemides ja mikrolainefootontehnoloogia eeliste täielikul ärakasutamisel.
Praegu on SI-põhine footonintegratsiooni tehnoloogia ja INP-põhine footonintegratsiooni tehnoloogia pärast aastaid kestnud arengut optilise side valdkonnas üha küpsemaks muutunud ning turule on toodud palju tooteid. Mikrolaine-footoni rakendamisel on aga nende kahe footonintegratsiooni tehnoloogia puhul mõningaid probleeme: näiteks Si-modulaatori ja InP-modulaatori mittelineaarne elektrooptiline koefitsient on vastuolus mikrolaine-footoni tehnoloogia poolt taotletava kõrge lineaarsuse ja suurte dünaamiliste omadustega; Näiteks räni optilisel lülitil, mis realiseerib optilise tee lülitamist, olgu see siis termooptilisel efektil, piesoelektrilisel efektil või laengukandjate sissepritse dispersiooniefektil, on aeglase lülituskiiruse, energiatarbimise ja soojustarbimise probleemid, mis ei vasta kiirete kiirede skaneerimise ja suuremahuliste mikrolaine-footonite rakenduste vajadustele.
Liitiumniobaat on alati olnud esimene valik kiirete ainete puhul.elektrooptiline modulatsioonmaterjalidele tänu suurepärasele lineaarsele elektrooptilisele efektile. Traditsiooniline liitiumniobaat agaelektrooptiline modulaatoron valmistatud massiivsest liitiumniobaatkristallmaterjalist ja seadme suurus on väga suur, mis ei vasta integreeritud mikrolaine-footontehnoloogia vajadustele. Lineaarse elektro-optilise koefitsiendiga liitiumniobaatmaterjalide integreerimine integreeritud mikrolaine-footontehnoloogia süsteemi on saanud asjakohaste teadlaste eesmärgiks. 2018. aastal teatas Ameerika Ühendriikide Harvardi Ülikooli uurimisrühm esmakordselt ajakirjas Nature õhukese kilega liitiumniobaadil põhinevast footonintegratsiooni tehnoloogiast, kuna tehnoloogial on eelised kõrge integreerituse, suure elektro-optilise modulatsiooni ribalaiuse ja elektro-optilise efekti kõrge lineaarsuse näol. Pärast turuletoomist äratas see kohe akadeemilise ja tööstusliku tähelepanu footonintegratsiooni ja mikrolaine-footonika valdkonnas. Mikrolaine-footonite rakenduse vaatenurgast vaatleb see artikkel õhukese kilega liitiumniobaadil põhineva footonintegratsiooni tehnoloogia mõju ja olulisust mikrolaine-footontehnoloogia arengule.
Õhukese kilega liitiumniobaatmaterjal ja õhuke kileliitiumniobaadi modulaator
Viimase kahe aasta jooksul on ilmunud uut tüüpi liitiumniobaatmaterjal, see tähendab, et liitiumniobaatkile kooritakse massiivsest liitiumniobaatkristallist "ioonlõikamise" meetodil ja seotakse ränidioksiidi puhverkihiga Si vahvliga, moodustades LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materjali [5], mida käesolevas artiklis nimetatakse õhukese kilega liitiumniobaatmaterjaliks. Optimeeritud kuivsöövitusprotsessi abil saab õhukese kilega liitiumniobaatmaterjalidele söövitada üle 100 nanomeetri kõrguseid harjalainejuhte ning moodustunud lainejuhtide efektiivne murdumisnäitaja erinevus võib ulatuda üle 0,8 (palju suurem kui traditsiooniliste liitiumniobaatlainejuhtide murdumisnäitaja erinevus 0,02), nagu on näidatud joonisel 1. Tugevalt piiratud lainejuht lihtsustab valgusvälja ja mikrolainevälja sobitamist modulaatori projekteerimisel. Seega on kasulik saavutada lühema pikkusega madalam poollaine pinge ja suurem modulatsiooniribalaius.
Madala kaoga liitiumniobaadist submikronlainejuhi välimus kõrvaldab traditsioonilise liitiumniobaadist elektrooptilise modulaatori kõrge juhtpinge kitsaskoha. Elektroodide vahekaugust saab vähendada ~5 μm-ni, elektrivälja ja optilise režiimi välja kattumist saab oluliselt suurendada ja vπ ·L väheneb enam kui 20 V·cm-lt vähem kui 2,8 V·cm-ni. Seega saab sama poollaine pinge korral seadme pikkust traditsioonilise modulaatoriga võrreldes oluliselt lühendada. Samal ajal, pärast liikuva laine elektroodi laiuse, paksuse ja intervalli parameetrite optimeerimist, nagu joonisel näidatud, võib modulaatoril olla võime saavutada ülikõrge modulatsiooniribalaiusega üle 100 GHz.
Joonis 1 (a) arvutatud mooduse jaotus ja (b) LN-lainejuhi ristlõike pilt
Joonis 2 (a) Lainejuhi ja elektroodi struktuur ning (b) LN-modulaatori südamikplaat
Õhukese kilega liitiumniobaatmodulaatorite võrdlus traditsiooniliste kaubanduslike liitiumniobaatmodulaatorite, ränipõhiste modulaatorite ja indiumfosfiidi (InP) modulaatorite ning teiste olemasolevate kiirete elektrooptiliste modulaatoritega hõlmab järgmisi võrdlusparameetreid:
(1) Poollaine volt-pikkuse korrutis (vπ ·L, V·cm), mis mõõdab modulaatori modulatsiooni efektiivsust – mida väiksem on väärtus, seda suurem on modulatsiooni efektiivsus;
(2) 3 dB modulatsiooni ribalaius (GHz), mis mõõdab modulaatori reageeringut kõrgsagedusmodulatsioonile;
(3) Optiline sisestamise kaotus (dB) modulatsioonipiirkonnas. Tabelist on näha, et õhukese kilega liitiumniobaatmodulaatoril on ilmsed eelised modulatsiooni ribalaiuse, poollaine pinge, optilise interpolatsiooni kao jms osas.
Integreeritud optoelektroonika nurgakivina on räni seni välja töötatud, protsess on küps, selle miniaturiseerimine soodustab aktiivsete/passiivsete seadmete laiaulatuslikku integreerimist ning selle modulaatorit on optilise side valdkonnas laialdaselt ja põhjalikult uuritud. Räni elektrooptiline modulatsioonimehhanism on peamiselt laengukandjate tühjendamine, laengukandjate süstimine ja laengukandjate akumuleerimine. Nende hulgas on modulaatori ribalaius optimaalne lineaarse laengukandjate tühjendamise mehhanismiga, kuid kuna optilise välja jaotus kattub tühjendamispiirkonna ebaühtlusega, tekitab see efekt teise järgu mittelineaarseid moonutusi ja kolmanda järgu intermodulatsiooni moonutusi, mis on seotud laengukandjate neeldumismõjuga valgusele, mis viib optilise modulatsiooni amplituudi ja signaali moonutuse vähenemiseni.
InP modulaatoril on silmapaistvad elektrooptilised efektid ning mitmekihiline kvantkaevude struktuur võimaldab realiseerida ülikiire kiiruse ja madala juhtpinge modulaatoreid, mille Vπ·L on kuni 0,156 V · mm. Murdumisnäitaja varieerumine elektriväljaga hõlmab aga nii lineaarseid kui ka mittelineaarseid tegureid ning elektrivälja intensiivsuse suurenemine toob esile teist järku efekti. Seetõttu peavad räni ja InP elektrooptilised modulaatorid töötamise ajal rakendama eelpinget, et moodustada pn-siirde, mis omakorda põhjustab valguse neeldumiskadu. Nende kahe modulaatori suurus on aga väike, kaubandusliku InP modulaatori suurus on 1/4 LN modulaatori suurusest. Kõrge modulatsiooni efektiivsus, sobib suure tihedusega ja lühikese vahemaaga digitaalsetele optilistele ülekandevõrkudele, näiteks andmekeskustele. Liitiumniobaadi elektrooptilisel efektil puudub valguse neeldumismehhanism ja on väike kadu, mis sobib pika vahemaa koherentseks kasutamiseks.optiline sidesuure mahtuvuse ja kiirusega. Mikrolaine-footonirakenduses on Si ja InP elektrooptilised koefitsiendid mittelineaarsed, mis ei sobi mikrolaine-footonisüsteemi jaoks, mis taotleb suurt lineaarsust ja suurt dünaamikat. Liitiumniobaatmaterjal sobib mikrolaine-footonirakendusteks väga hästi oma täiesti lineaarse elektrooptilise modulatsioonikoefitsiendi tõttu.
Postituse aeg: 22. aprill 2024