Õhukese kilega liitiumniobaadi eelised ja tähtsus integreeritud mikrolainefotoontehnoloogias
Mikrolaine footontehnoloogiaeeliseks on suur tööriba laius, tugev paralleeltöötlusvõime ja väike edastuskadu, mis võib murda traditsioonilise mikrolainesüsteemi tehnilise kitsaskoha ja parandada sõjaliste elektrooniliste teabeseadmete, nagu radar, elektrooniline sõjapidamine, side ja mõõtmine ning kontroll.Diskreetsetel seadmetel põhineval mikrolainefotonisüsteemil on aga mõned probleemid, nagu suur maht, suur kaal ja halb stabiilsus, mis piiravad tõsiselt mikrolainefotonitehnoloogia rakendamist kosmose- ja õhuplatvormidel.Seetõttu on integreeritud mikrolaine footontehnoloogia saamas oluliseks toeks, et murda mikrolaine footonite rakendamine sõjalises elektroonilises infosüsteemis ja anda mikrolaine footontehnoloogia eelistele täielikku mängu.
Praegu on SI-põhine fotooniline integratsioonitehnoloogia ja INP-põhine fotooniline integratsioonitehnoloogia pärast aastatepikkust arengut optilise side valdkonnas muutunud üha küpsemaks ning turule on toodud palju tooteid.Mikrolaine footonite rakendamisel on aga nendes kahte tüüpi footonite integreerimise tehnoloogiates mõningaid probleeme: näiteks Si-modulaatori ja InP-modulaatori mittelineaarne elektro-optiline koefitsient on vastuolus mikrolaineahju kõrge lineaarsusega ja suurte dünaamiliste omadustega. footontehnoloogia;Näiteks räni optilisel lülitil, mis realiseerib optilise tee ümberlülitamise, olenemata sellest, kas see põhineb termo-optilisel efektil, piesoelektrilisel efektil või kandja sissepritse dispersiooniefektil, on probleeme aeglase lülituskiiruse, energiatarbimise ja soojuse tarbimisega, mis ei suuda vastata kiirele. kiirskaneerimine ja suure massiiviga mikrolainefotonirakendused.
Liitiumniobaat on alati olnud esimene valik suure kiiruse jaokselektrooptiline modulatsioonmaterjalid oma suurepärase lineaarse elektrooptilise efekti tõttu.Küll aga traditsiooniline liitiumniobaatelektrooptiline modulaatoron valmistatud massiivsest liitiumniobaadi kristallmaterjalist ja seadme suurus on väga suur, mis ei vasta integreeritud mikrolaine footontehnoloogia vajadustele.Lineaarse elektrooptilise koefitsiendiga liitiumniobaatmaterjalide integreerimine integreeritud mikrolaine footontehnoloogia süsteemi on saanud asjakohaste teadlaste eesmärgiks.2018. aastal teatas USA Harvardi ülikooli uurimisrühm esmakordselt looduses õhukese kilega liitiumniobaadil põhinevast fotoonilise integratsiooni tehnoloogiast, kuna selle tehnoloogia eelisteks on kõrge integreeritus, suur elektrooptilise modulatsiooni ribalaius ja elektroonika kõrge lineaarsus. -optiline efekt, kui see käivitati, tekitas see kohe akadeemilise ja tööstusliku tähelepanu fotoonilise integratsiooni ja mikrolainefotoonika valdkonnas.Mikrolaine footonite kasutamise vaatenurgast vaadeldakse selles artiklis õhukese kilega liitiumniobaadil põhineva footonite integreerimise tehnoloogia mõju ja olulisust mikrolaine footontehnoloogia arengule.
Õhukese kilega liitiumniobaatmaterjal ja õhuke kileliitiumniobaadi modulaator
Viimase kahe aasta jooksul on tekkinud uut tüüpi liitiumniobaatmaterjal, st liitiumniobaadi kile kooritakse massiivselt liitiumniobaadi kristallilt "ioonide lõikamise" meetodil ja seotakse Si vahvli külge ränidioksiidi puhverkihiga, et moodustavad LNOI (LiNbO3-On-Isolator) materjali [5], mida selles artiklis nimetatakse õhukese kilega liitiumniobaatmaterjaliks.Üle 100 nanomeetri kõrgused ribi lainejuhid saab söövitada õhukesele liitiumniobaatmaterjalidele optimeeritud kuivsöövitusprotsessiga ja moodustunud lainejuhtide efektiivne murdumisnäitaja erinevus võib ulatuda üle 0,8 (palju kõrgem kui traditsioonilise murdumisnäitaja erinevus). liitiumniobaadi lainejuhid 0,02), nagu on näidatud joonisel 1. Tugevalt piiratud lainejuht hõlbustab valgusvälja sobitamist mikrolaineväljaga modulaatori projekteerimisel.Seega on kasulik saavutada lühema pikkusega madalam poollainepinge ja suurem modulatsiooniriba.
Madala kaoga liitiumniobaadi submikronlainejuhi ilmumine purustab traditsioonilise liitiumniobaadi elektro-optilise modulaatori kõrge juhtimispinge kitsaskoha.Elektroodide vahekaugust saab vähendada ~ 5 μm-ni ning elektrivälja ja optilise režiimi välja kattumine suureneb oluliselt ning vπ · L väheneb enam kui 20 V · cm-lt alla 2, 8 V · cm.Seetõttu saab sama poollainepinge korral seadme pikkust traditsioonilise modulaatoriga võrreldes oluliselt vähendada.Samal ajal, pärast liikuva laine elektroodi laiuse, paksuse ja intervalli parameetrite optimeerimist, nagu on näidatud joonisel, võib modulaatoril olla ülikõrge modulatsiooni ribalaius, mis on suurem kui 100 GHz.
Joonis 1 (a) arvutatud režiimide jaotus ja (b) LN-lainejuhi ristlõike kujutis
Joonis 2 （a) lainejuhi ja elektroodi struktuur ning （b) LN-modulaatori südamik
Õhukese kilega liitiumniobaatmodulaatorite võrdlus traditsiooniliste liitiumniobaadi kaubanduslike modulaatorite, ränipõhiste modulaatorite ja indiumfosfiidi (InP) modulaatoritega ning muude olemasolevate kiirete elektrooptiliste modulaatoritega, võrdluse peamised parameetrid on järgmised:
(1) Poollaine volt-pikkuskorrutis (vπ ·L, V·cm), mõõtes modulaatori modulatsiooniefektiivsust, mida väiksem väärtus, seda suurem on modulatsiooni efektiivsus;
(2) 3 dB modulatsiooniriba (GHz), mis mõõdab modulaatori reaktsiooni kõrgsagedusmodulatsioonile;
(3) Optilise sisestamise kadu (dB) modulatsioonipiirkonnas.Tabelist on näha, et õhukese kilega liitiumniobaatmodulaatoril on ilmsed eelised modulatsiooni ribalaiuse, poollaine pinge, optilise interpolatsiooni kadu ja nii edasi.
Räni kui integreeritud optoelektroonika nurgakivi on seni välja töötatud, protsess on küps, selle miniaturiseerimine soodustab aktiivsete/passiivsete seadmete laiaulatuslikku integreerimist ning selle modulaatorit on optika valdkonnas laialdaselt ja põhjalikult uuritud. suhtlemine.Räni elektro-optiline modulatsioonimehhanism on peamiselt kandja tühjendamine, kandja süstimine ja kandja akumulatsioon.Nende hulgas on modulaatori ribalaius optimaalne lineaarse kandja ammendumise mehhanismiga, kuid kuna optilise välja jaotus kattub ammendumise piirkonna ebaühtlusega, põhjustab see efekt mittelineaarset teist järku moonutused ja kolmanda astme intermodulatsiooni moonutused. koos kandja neeldumisefektiga valgusele, mis viib optilise modulatsiooni amplituudi ja signaali moonutuste vähenemiseni.
InP-modulaatoril on silmapaistvad elektro-optilised efektid ja mitmekihiline kvantkaevu struktuur suudab realiseerida ülikiire kiirusega ja madala juhtimispingega modulaatoreid, mille Vπ·L on kuni 0,156 V · mm.Kuid murdumisnäitaja varieerumine elektriväljaga hõlmab lineaarseid ja mittelineaarseid termineid ning elektrivälja intensiivsuse suurenemine muudab teist järku efekti silmatorkavaks.Seetõttu peavad räni ja InP elektrooptilised modulaatorid töötamise ajal rakendama pn-siirde moodustamiseks nihket ja pn-siirde toob päevavalgele neeldumiskadu.Kuid nende kahe modulaatori suurus on väike, kaubandusliku InP modulaatori suurus on 1/4 LN-modulaatorist.Kõrge modulatsioonitõhusus, sobib suure tihedusega ja lühikese vahemaa digitaalsete optiliste edastusvõrkude jaoks, nagu andmekeskused.Liitiumniobaadi elektro-optilisel efektil puudub valguse neeldumismehhanism ja väike kadu, mis sobib pikamaa koherentseks.optiline sidesuure võimsusega ja suure kiirusega.Mikrolainefotonirakenduses on Si ja InP elektro-optilised koefitsiendid mittelineaarsed, mis ei sobi mikrolainefotonisüsteemi jaoks, millel on kõrge lineaarsus ja suur dünaamika.Liitiumniobaatmaterjal sobib väga hästi mikrolainefotonite rakendamiseks oma täiesti lineaarse elektro-optilise modulatsiooniteguri tõttu.
Postitusaeg: 22. aprill 2024