Преимущества и значение тонкопленочного ниобата лития в интегрированной микроволновой фотонной технологии
Микроволновая фотонная технологияимеет преимущества большой рабочей полосы пропускания, сильной параллельной обработки и низких потерь передачи, что имеет потенциал для преодоления технического узкого места традиционной микроволновой системы и улучшения производительности военного электронного информационного оборудования, такого как радар, радиоэлектронная борьба, связь, измерение и управление. 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 в космических и воздушных платформах. Поэтому интегрированная микроволновая фотонная технология становится важной поддержкой для преодоления применения микроволнового фотона в военной электронной информационной системе и полного раскрытия преимуществ микроволновой фотонной технологии.
В настоящее время технология фотонной интеграции на основе SI и технология фотонной интеграции на основе INP становятся все более и более зрелыми после многих лет развития в области оптической связи, и на рынок было выпущено множество продуктов. Однако для применения микроволнового фотона 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 технологией микроволнового фотона; например, кремниевый оптический переключатель, который реализует оптическое переключение пути, будь то на основе термооптического эффекта, пьезоэлектрического эффекта или эффекта дисперсии инжекции носителей, имеет проблемы низкой скорости переключения, энергопотребления и потребления тепла, которые не могут удовлетворить быстрое сканирование луча и приложения микроволнового фотона большого масштаба массива.
Ниобат лития всегда был выбором номер один для высокоскоростных двигателей.электрооптическая модуляцияматериалов из-за его превосходного линейного электрооптического эффекта. 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 этой 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
За 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 кремния для формирования материала LNOI (LiNbO3-на-изоляторе) [5], который в данной 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 разности показателей преломления традиционных волноводов ниобата лития 0,02), как показано на рисунке 1. Сильно ограниченный волновод упрощает 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 высокого напряжения возбуждения традиционного электрооптического модулятора из 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. Следовательно, 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 электрода бегущей волны, как показано на рисунке, модулятор может иметь возможность сверхвысокой полосы пропускания модуляции, превышающей 100 ГГц.
Рис.1 （а） расчетное распределение мод и （б） изображение поперечного сечения волновода LN
Рис.2 （a） Структура волновода и электрода и （b） 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 пропускания 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 на основе ниобата лития имеет очевидные преимущества в полосе модуляции, полуволновом напряжении, оптических интерполяционных потерях и т. д.
Кремний, как краеугольный камень интегрированной оптоэлектроники, был разработан до сих пор, процесс является зрелым, его миниатюризация способствует крупномасштабной интеграции активных/пассивных устройств, а его модулятор широко и глубоко изучен в области оптической связи. Электрооптический механизм модуляции кремния в основном заключается в истощении носителей, инжекции носителей и накоплении носителей. Среди них полоса пропускания модулятора оптимальна с линейным механизмом истощения носителей, но поскольку распределение оптического поля перекрывается с неоднородностью области истощения, этот эффект внесет нелинейные искажения второго порядка и интермодуляционные искажения третьего порядка в сочетании с эффектом поглощения носителя на свету, что приведет к уменьшению амплитуды оптической модуляции и искажения сигнала.
Модулятор InP обладает выдающимися электрооптическими эффектами, а многослойная структура квантовых ям может реализовать сверхвысокоскоростные и низковольтные модуляторы с Vπ·L до 0,156 В · мм. Однако изменение показателя преломления с электрическим полем включает линейные и нелинейные члены, а увеличение напряженности электрического поля сделает эффект второго порядка заметным. Поэтому электрооптические модуляторы из кремния и InP должны применять смещение для формирования pn-перехода, когда они работают, а pn-переход приведет к потерям поглощения света. Однако размер модулятора этих двух невелик, размер коммерческого модулятора InP составляет 1/4 от модулятора LN. Высокая эффективность модуляции, подходит для сетей цифровой оптической передачи высокой плотности и на короткие расстояния, таких как центры обработки данных. Электрооптический эффект ниобата лития не имеет механизма поглощения света и низких потерь, что подходит для когерентных сетей на большие расстоянияоптическая связьс большой емкостью и высокой скоростью. В микроволновом фотонном приложении электрооптические коэффициенты Si и InP нелинейны, что не подходит для микроволновых фотонных систем, которые стремятся к высокой линейности и большой динамике. Материал ниобата лития очень подходит для микроволнового фотонного приложения из-за его полностью линейного электрооптического коэффициента модуляции.
Время публикации: 22-04-2024