Преимущества и значение тонкопленочного ниобата лития в интегральной СВЧ-фотонной технологии
Микроволновая фотонная технологияОбладая такими преимуществами, как широкая рабочая полоса пропускания, высокая способность к параллельной обработке и низкие потери при передаче, что потенциально может устранить технические ограничения традиционных микроволновых систем и повысить производительность военного электронного информационного оборудования, такого как радары, системы радиоэлектронной борьбы, связи, измерения и управления. Однако микроволновая фотонная система, основанная на дискретных устройствах, имеет ряд недостатков, таких как большой объем, большой вес и низкая стабильность, которые серьезно ограничивают применение микроволновой фотонной технологии в космических и воздушных платформах. Таким образом, интегрированная микроволновая фотонная технология становится важным средством поддержки, позволяющим преодолеть применение микроволновой фотонной технологии в военных электронных информационных системах и в полной мере раскрыть преимущества микроволновой фотонной технологии.
В настоящее время технологии фотонной интеграции на основе SI и INP становятся все более зрелыми после многих лет развития в области оптической связи, и на рынок было выведено множество продуктов. Однако для применения микроволновых фотонов существуют некоторые проблемы в этих двух видах технологий фотонной интеграции: например, нелинейный электрооптический коэффициент Si-модулятора и InP-модулятора противоречит высокой линейности и большим динамическим характеристикам, преследуемым микроволновой фотонной технологией; например, кремниевый оптический переключатель, реализующий переключение оптического пути, будь то основанный на термооптическом эффекте, пьезоэлектрическом эффекте или эффекте дисперсии инжекции носителей, имеет проблемы низкой скорости переключения, энергопотребления и тепловыделения, что не может удовлетворить требованиям быстрого сканирования луча и приложений микроволновых фотонов большого масштаба.
Ниобат лития всегда был первым выбором для высокоскоростных двигателей.электрооптическая модуляцияМатериалы, обладающие превосходным линейным электрооптическим эффектом. Однако традиционный ниобат литияэлектрооптический модуляторизготовлен из массивного кристаллического материала ниобата лития, а размер устройства очень большой, что не может удовлетворить потребности интегрированной технологии микроволновых фотонов. Как интегрировать материалы ниобата лития с линейным электрооптическим коэффициентом в интегрированную систему технологии микроволновых фотонов стало целью соответствующих исследователей. В 2018 году исследовательская группа из Гарвардского университета в США впервые сообщила о технологии фотонной интеграции на основе тонкопленочного ниобата лития в Nature, поскольку технология обладает преимуществами высокой интеграции, большой ширины полосы электрооптической модуляции и высокой линейности электрооптического эффекта, после запуска она сразу же привлекла академическое и промышленное внимание в области фотонной интеграции и микроволновой фотоники. С точки зрения применения микроволновых фотонов в данной статье рассматривается влияние и значение технологии фотонной интеграции на основе тонкопленочного ниобата лития на развитие технологии микроволновых фотонов.
Тонкопленочный материал ниобата лития и тонкая пленкамодулятор на основе ниобата лития
В последние два года появился новый тип материала ниобата лития, то есть пленка ниобата лития отслаивается от массивного кристалла ниобата лития методом «ионной нарезки» и прикрепляется к кремниевой пластине с помощью буферного слоя из кремния для формирования материала LNOI (LiNbO3-на-изоляторе) [5], который в этой статье называется тонкопленочным материалом ниобата лития. Гребневые волноводы высотой более 100 нанометров могут быть вытравлены на тонкопленочных материалах ниобата лития с помощью оптимизированного процесса сухого травления, а эффективная разность показателей преломления сформированных волноводов может достигать более 0,8 (намного выше, чем разность показателей преломления традиционных волноводов ниобата лития, равная 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 полосы модуляции при меньшей длине.
Появление субмикронного волновода из ниобата лития с низкими потерями устраняет узкое место, связанное с высоким напряжением возбуждения традиционных электрооптических модуляторов на основе ниобата лития. Расстояние между электродами может быть уменьшено до ~ 5 мкм, а перекрытие между электрическим полем и полем оптической моды значительно увеличивается, а 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 сверхширокой полосой модуляции, превышающей 100 ГГц.
Рис.1 (а) Рассчитанное распределение мод и (б) Изображение поперечного сечения волновода LN
Рис.2 (а) Структура волновода и электродов и (б) основная пластина LN-модулятора
Сравнение тонкопленочных модуляторов на основе ниобата лития с традиционными коммерческими модуляторами на основе ниобата лития, модуляторами на основе кремния и модуляторами на основе фосфида индия (InP), а также другими существующими высокоскоростными электрооптическими модуляторами. Основные параметры сравнения включают:
(1) Полуволновое произведение напряжения 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 реакцию модулятора на высокочастотную модуляцию;
(3) Оптические вносимые потери (дБ) в области модуляции. Из таблицы видно, что тонкоплёночный модулятор на основе ниобата лития обладает очевидными преимуществами по ширине полосы модуляции, полуволновому напряжению, оптическим потерям интерполяции и т. д.
Кремний, как краеугольный камень интегрированной оптоэлектроники, был разработан к настоящему времени, процесс является зрелым, его миниатюризация способствует крупномасштабной интеграции активных/пассивных устройств, а его модулятор широко и глубоко изучен в области оптической связи. Механизм электрооптической модуляции кремния в основном заключается в истощении носителей, инжекции носителей и накоплении носителей. Среди них полоса пропускания модулятора оптимальна при механизме линейной степени истощения носителей, но поскольку распределение оптического поля перекрывается с неоднородностью области истощения, этот эффект внесёт нелинейные искажения второго порядка и интермодуляционные искажения третьего порядка, в сочетании с эффектом поглощения носителя на свету, что приведёт к уменьшению амплитуды оптической модуляции и искажения сигнала.
Модулятор InP обладает выдающимися электрооптическими эффектами, а многослойная структура квантовых ям позволяет реализовать сверхвысокоскоростные модуляторы с низким напряжением возбуждения Vπ·L до 0,156 В·мм. Однако изменение показателя преломления в зависимости от электрического поля включает линейные и нелинейные составляющие, а увеличение напряженности электрического поля усиливает эффект второго порядка. Поэтому электрооптические модуляторы на основе кремния и InP требуют приложения смещения для формирования p-n-перехода при работе, а p-n-переход приводит к потерям на поглощение света. Однако размеры этих двух модуляторов малы, коммерческий модулятор на основе InP составляет 1/4 от размера LN-модулятора. Высокая эффективность модуляции подходит 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 обеспечивает низкие потери, что подходит для когерентной передачи на большие расстояния.оптическая связьс большой ёмкостью и высокой скоростью. В микроволновых фотонных приложениях электрооптические коэффициенты Si и InP нелинейны, что не подходит для микроволновых фотонных систем, требующих высокой линейности и большой динамики. Материал ниобат лития очень подходит для микроволновых фотонных приложений благодаря своему полностью линейному коэффициенту электрооптической модуляции.
Время публикации: 22 апреля 2024 г.