Преимущества и значение тонкопленочного ниобата лития в интегрированной микроволновой фотонной технологии.
Микроволновая фотонная технологияимеет такие преимущества, как большая рабочая полоса пропускания, сильная способность параллельной обработки и низкие потери при передаче, что потенциально может устранить технические узкие места традиционной микроволновой системы и улучшить производительность военного электронного информационного оборудования, такого как радар, радиоэлектронная борьба, связь и измерения и контроль. Однако микроволновая фотонная система на основе дискретных устройств имеет некоторые проблемы, такие как большой объем, большой вес и плохая стабильность, которые серьезно ограничивают применение микроволновой фотонной технологии на космических и воздушных платформах. Таким образом, интегрированная технология микроволновых фотонов становится важной поддержкой, позволяющей отказаться от применения микроволновых фотонов в военной электронной информационной системе и в полной мере раскрыть преимущества технологии микроволновых фотонов.
В настоящее время технология фотонной интеграции на основе SI и технология фотонной интеграции на основе INP становятся все более зрелыми после многих лет развития в области оптической связи, и на рынок выведено множество продуктов. Однако при применении микроволновых фотонов в этих двух видах технологий интеграции фотонов возникают некоторые проблемы: например, нелинейный электрооптический коэффициент Si-модуляторов и модуляторов InP противоречит высокой линейности и большим динамическим характеристикам, достигаемым микроволновыми характеристиками. фотонная технология; 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, связанные с медленной скоростью переключения, энергопотреблением и потреблением тепла, которые не могут удовлетворить быстрые сканирование луча и применение микроволновых фотонов с большими массивами.
Ниобат лития всегда был лучшим выбором для высокоскоростныхэлектрооптическая модуляцияматериалы из-за превосходного линейного электрооптического эффекта. Однако традиционный ниобат литияэлектрооптический модуляторИзготовлен из массивного кристаллического материала ниобата лития, а размер устройства очень велик, что не может удовлетворить потребности интегрированной микроволновой фотонной технологии. Целью соответствующих исследователей стало то, как интегрировать материалы ниобата лития с линейным электрооптическим коэффициентом в интегрированную систему микроволновых фотонных технологий. В 2018 году исследовательская группа из Гарвардского университета в США впервые сообщила о технологии фотонной интеграции на основе тонкопленочного ниобата лития в природе, поскольку эта технология обладает преимуществами высокой интеграции, широкой полосы пропускания электрооптической модуляции и высокой линейности электронно-оптической модуляции. -оптический эффект, как только он был запущен, сразу же привлек академическое и промышленное внимание в области фотонной интеграции и микроволновой фотоники. С точки зрения применения микроволновых фотонов, в этой статье рассматривается влияние и значение технологии интеграции фотонов на основе тонкопленочного ниобата лития для развития микроволновой фотонной технологии.
Тонкопленочный материал ниобата лития и тонкая пленкамодулятор ниобата лития
В последние два года появился новый тип материала ниобата лития: пленка ниобата лития отслаивается от массивного кристалла ниобата лития методом «ионной нарезки» и прикрепляется к кремниевой пластине с буферным слоем кремнезема для образуют материал LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], который в этой статье называется тонкопленочным материалом ниобата лития. Гребневые волноводы высотой более 100 нанометров можно травить на тонкопленочных материалах из ниобата лития с помощью оптимизированного процесса сухого травления, а эффективная разница показателей преломления сформированных волноводов может достигать более 0,8 (намного выше, чем разница показателей преломления традиционных волноводы из ниобата лития с плотностью 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 полуволнового напряжения и большей ширины полосы модуляции при более короткой длине.
Появление субмикронного волновода из ниобата лития с низкими потерями устраняет узкое место, связанное с высоким напряжением возбуждения традиционного электрооптического модулятора из ниобата лития. Расстояние между электродами может быть уменьшено до ~ 5 мкм, при этом перекрытие между электрическим полем и полем оптической моды значительно увеличивается, а vπ ·L уменьшается с более чем 20 В·см до менее 2,8 В·см. Следовательно, при том же полуволновом напряжении длину устройства можно значительно уменьшить по сравнению с традиционным модулятором. В то же время, после оптимизации параметров ширины, толщины и интервала электрода бегущей волны, как показано на рисунке, модулятор может иметь возможность сверхвысокой полосы модуляции более 100 ГГц.
Рис.1 （a） расчетное распределение мод и （b） изображение поперечного сечения волновода LN
Рис.2 （a） Структура волновода и электрода и （b） сердцевина модулятора LN
Сравнение тонкопленочных модуляторов из ниобата лития с традиционными коммерческими модуляторами из ниобата лития, модуляторами на основе кремния, модуляторами на основе фосфида индия (InP) и другими существующими высокоскоростными электрооптическими модуляторами, основные параметры сравнения включают в себя:
(1) Полуволновое произведение вольт-длины (vπ·L, В·см), измеряющее эффективность модуляции модулятора, чем меньше значение, тем выше эффективность модуляции;
(2) полоса модуляции 3 дБ (ГГц), которая измеряет реакцию модулятора на высокочастотную модуляцию;
(3) Оптические вносимые потери (дБ) в области модуляции. Из таблицы видно, что тонкопленочный модулятор из ниобата лития имеет очевидные преимущества по полосе модуляции, полуволновому напряжению, оптическим интерполяционным потерям и так далее.
Кремний, как краеугольный камень интегральной оптоэлектроники, уже разработан, процесс зрел, его миниатюризация способствует крупномасштабной интеграции активных/пассивных устройств, а его модулятор широко и глубоко изучен в области оптических технологий. коммуникация. Механизм электрооптической модуляции кремния состоит в основном из истощения носителей, их инжекции и накопления. Среди них полоса пропускания модулятора является оптимальной с механизмом обеднения несущей линейной степени, но поскольку распределение оптического поля перекрывается с неоднородностью области обеднения, этот эффект приведет к нелинейным искажениям второго порядка и интермодуляционным искажениям третьего порядка. условий в сочетании с эффектом поглощения несущей на свету, что приведет к уменьшению амплитуды оптической модуляции и искажению сигнала.
Модулятор InP обладает выдающимися электрооптическими эффектами, а многослойная структура с квантовыми ямами позволяет создавать модуляторы со сверхвысокой скоростью и низким напряжением возбуждения с Vπ·L до 0,156 В · мм. Однако изменение показателя преломления в зависимости от электрического поля включает в себя линейные и нелинейные члены, а увеличение напряженности электрического поля сделает эффект второго порядка заметным. Следовательно, электрооптические модуляторы из кремния и InP должны применять смещение для формирования pn-перехода во время работы, а pn-переход приводит к потерям поглощения. Однако размер этих двух модуляторов невелик, размер коммерческого модулятора InP составляет 1/4 модулятора LN. Высокая эффективность модуляции, подходит для сетей цифровой оптической передачи с высокой плотностью и на короткие расстояния, таких как центры обработки данных. Электрооптический эффект ниобата лития не имеет механизма поглощения света и имеет низкие потери, что подходит для когерентной связи на больших расстояниях.оптическая связьс большой емкостью и высокой скоростью. В применении микроволновых фотонов электрооптические коэффициенты Si и InP являются нелинейными, что не подходит для микроволновой фотонной системы, которая стремится к высокой линейности и большой динамике. Материал ниобата лития очень подходит для применения микроволновых фотонов из-за его полностью линейного коэффициента электрооптической модуляции.
Время публикации: 22 апреля 2024 г.