Преимущества и значение тонкопленочного ниобата лития в интегрированной микроволновой фотонной технологии.
Технология микроволновых фотоновОбладая преимуществами большой рабочей полосы пропускания, высокой способностью к параллельной обработке и низкими потерями при передаче, микроволновые системы потенциально способны преодолеть технические узкие места традиционных микроволновых систем и улучшить характеристики военного электронного информационного оборудования, такого как радары, системы радиоэлектронной борьбы, средства связи, измерения и управления. Однако микроволновые фотонные системы на основе дискретных устройств имеют ряд проблем, таких как большой объем, большой вес и низкая стабильность, что серьезно ограничивает применение микроволновой фотонной технологии на космических и воздушных платформах. Поэтому интегрированная микроволновая фотонная технология становится важной опорой для преодоления ограничений применения микроволновой фотонной технологии в военных электронных информационных системах и позволяет в полной мере использовать ее преимущества.
В настоящее время технологии фотонной интеграции на основе кремния (SI) и наночастиц (INP) за годы развития в области оптической связи достигли все большей зрелости, и на рынок выпущено множество продуктов. Однако для применения в микроволновом излучении в этих двух типах технологий фотонной интеграции существуют некоторые проблемы: например, нелинейный электрооптический коэффициент кремниевого и наночастиц InP противоречит высокой линейности и большим динамическим характеристикам, которые требуются в микроволновой фотонной технологии; например, кремниевый оптический переключатель, реализующий переключение оптического пути, независимо от того, основан ли он на термооптическом эффекте, пьезоэлектрическом эффекте или эффекте дисперсии инжекции носителей, имеет проблемы низкой скорости переключения, энергопотребления и тепловыделения, что не может удовлетворить потребности в быстром сканировании луча и применении в микроволновом фотонном излучении в больших массивах.
Ниобат лития всегда был предпочтительным материалом для высокоскоростных технологий.электрооптическая модуляцияматериалы благодаря их превосходному линейному электрооптическому эффекту. Однако традиционный ниобат литияэлектрооптический модуляторУстройство, изготовленное из массивного кристаллического материала ниобата лития, имеет очень большие размеры, что не позволяет удовлетворить потребности интегрированной микроволновой фотонной технологии. Вопрос интеграции материалов на основе ниобата лития с линейным электрооптическим коэффициентом в интегрированную систему микроволновой фотонной технологии стал целью соответствующих исследователей. В 2018 году исследовательская группа из Гарвардского университета (США) впервые сообщила в журнале Nature о технологии фотонной интеграции на основе тонкопленочного ниобата лития. Благодаря преимуществам высокой степени интеграции, большой полосы пропускания электрооптической модуляции и высокой линейности электрооптического эффекта, эта технология сразу же привлекла внимание академического и промышленного сообщества в области фотонной интеграции и микроволновой фотоники. С точки зрения применения в микроволновой фотонной технологии, в данной статье рассматривается влияние и значение технологии фотонной интеграции на основе тонкопленочного ниобата лития на развитие микроволновой фотонной технологии.
Тонкопленочный материал на основе ниобата лития и тонкая пленкамодулятор ниобата лития
В последние два года появился новый тип материала на основе ниобата лития, а именно пленка ниобата лития, полученная методом «ионной резки» путем отслоения массивного кристалла ниобата лития и соединенная с кремниевой подложкой с помощью буферного слоя из диоксида кремния для образования материала LNOI (LiNbO3-на-изоляторе) [5], который в данной работе называется тонкопленочным материалом на основе ниобата лития. На тонкопленочных материалах из ниобата лития методом сухого травления можно вытравить гребневые волноводы высотой более 100 нанометров, а эффективная разница показателей преломления сформированных волноводов может достигать более 0,8 (значительно выше, чем разница показателей преломления традиционных волноводов из ниобата лития, составляющая 0,02), как показано на рисунке 1. Сильно ограниченный волновод облегчает согласование светового поля с микроволновым полем при проектировании модулятора. Таким образом, выгодно достичь более низкого напряжения полуволны и большей полосы модуляции на меньшей длине.
Появление субмикронных волноводов из ниобата лития с низкими потерями устраняет узкое место, связанное с высоким управляющим напряжением традиционных электрооптических модуляторов на основе ниобата лития. Расстояние между электродами может быть уменьшено до ~5 мкм, а перекрытие электрического поля и поля оптической моды значительно увеличивается, при этом vπ·L уменьшается с более чем 20 В·см до менее чем 2,8 В·см. Таким образом, при том же полуволновом напряжении длина устройства может быть значительно уменьшена по сравнению с традиционным модулятором. В то же время, после оптимизации параметров ширины, толщины и интервала между электродами бегущей волны, как показано на рисунке, модулятор может обладать сверхвысокой полосой пропускания модуляции, превышающей 100 ГГц.
Рис. 1 (а) Рассчитанное распределение мод и (б) изображение поперечного сечения волновода из ниобата лития.
Рис. 2 (а) Структура волновода и электродов и (б) сердцевинная пластина модулятора LN
В данном исследовании проводится сравнение тонкопленочных модуляторов на основе ниобата лития с традиционными коммерческими модуляторами на основе ниобата лития, модуляторами на основе кремния, модуляторами на основе фосфида индия (InP) и другими существующими высокоскоростными электрооптическими модуляторами. Основные параметры сравнения включают:
(1) Произведение напряжения на полуволну на длину волны (vπ ·L, В·см), измеряющее эффективность модуляции модулятора; чем меньше значение, тем выше эффективность модуляции;
(2) Полоса модуляции 3 дБ (ГГц), которая измеряет отклик модулятора на высокочастотную модуляцию;
(3) Оптические вносимые потери (дБ) в области модуляции. Из таблицы видно, что тонкопленочный модулятор на основе ниобата лития обладает очевидными преимуществами в полосе пропускания модуляции, напряжении полуволны, потерях оптической интерполяции и т. д.
Кремний, как краеугольный камень интегрированной оптоэлектроники, к настоящему времени получил широкое развитие, технология его производства отработана, миниатюризация способствует крупномасштабной интеграции активных/пассивных устройств, а его модуляторы широко и глубоко изучаются в области оптической связи. Электрооптический механизм модуляции кремния в основном состоит из истощения носителей заряда, инжекции носителей заряда и накопления носителей заряда. При этом полоса пропускания модулятора оптимальна при линейном механизме истощения носителей заряда, но поскольку распределение оптического поля перекрывается с неоднородностью области истощения, этот эффект приводит к нелинейным искажениям второго порядка и интермодуляционным искажениям третьего порядка, в сочетании с эффектом поглощения носителей заряда светом, что приводит к уменьшению амплитуды оптической модуляции и искажению сигнала.
Модулятор на основе InP обладает выдающимися электрооптическими эффектами, а многослойная структура квантовых ям позволяет создавать модуляторы со сверхвысокой скоростью и низким управляющим напряжением, достигающим Vπ·L до 0,156 В·мм. Однако изменение показателя преломления в зависимости от электрического поля включает линейные и нелинейные составляющие, и увеличение интенсивности электрического поля приводит к усилению эффекта второго порядка. Поэтому для работы кремниевых и InP электрооптических модуляторов необходимо прикладывать смещение для формирования pn-перехода, а pn-переход приводит к потерям поглощения света. Однако размеры этих двух модуляторов невелики: размер коммерческого InP-модулятора составляет 1/4 от размера LN-модулятора. Высокая эффективность модуляции делает его подходящим для цифровых оптических сетей передачи данных высокой плотности и на короткие расстояния, таких как центры обработки данных. Электрооптический эффект ниобата лития не имеет механизма поглощения света и обладает низкими потерями, что делает его подходящим для когерентной передачи на большие расстояния.оптическая связьОбладая большой емкостью и высокой скоростью передачи данных. В микроволновом фотонном применении электрооптические коэффициенты Si и InP нелинейны, что не подходит для микроволновых фотонных систем, стремящихся к высокой линейности и большой динамике. Материал ниобата лития очень хорошо подходит для микроволнового фотонного применения благодаря своему полностью линейному электрооптическому коэффициенту модуляции.
Дата публикации: 22 апреля 2024 г.