İnce film lityum niobat malzemesi ve ince film lityum niobat modülatörü

Entegre mikrodalga foton teknolojisinde ince film lityum niobatın avantajları ve önemi

Mikrodalga foton teknolojisiGeleneksel mikrodalga sisteminin teknik darboğazını kırma ve radar, elektronik savaş, iletişim ve ölçüm ve kontrol gibi askeri elektronik bilgi ekipmanlarının performansını iyileştirme potansiyeline sahip büyük çalışma bant genişliği, güçlü paralel işleme yeteneği ve düşük iletim kaybı avantajlarına sahiptir. Bununla birlikte, ayrık cihazlara dayanan mikrodalga foton sistemi, büyük hacim, ağır ağırlık ve zayıf denge gibi bazı sorunlara sahiptir, bu da uzayda ve havadaki platformlarda mikrodalga foton teknolojisinin uygulanmasını ciddi şekilde kısıtlar. Bu nedenle, entegre mikrodalga foton teknolojisi, askeri elektronik bilgi sisteminde mikrodalga fotonun uygulanmasını kırmak ve mikrodalga foton teknolojisinin avantajlarına tam oyun vermek için önemli bir destek haline geliyor.

Şu anda, SI tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi ve INP tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi, optik iletişim alanında yıllarca süren gelişimden sonra gittikçe daha olgun hale geldi ve pazara birçok ürün konuldu. Bununla birlikte, mikrodalga fotonun uygulanması için, bu iki tür foton entegrasyon teknolojisinde bazı problemler vardır: örneğin, SI modülatörünün ve INP modülatörünün doğrusal olmayan elektro-optik katsayısı, mikrodalga foton teknolojisi tarafından sürdürülen yüksek doğrusallık ve büyük dinamik özelliklere aykırıdır; Örneğin, termal optik etkiye, piezoelektrik etkiye veya taşıyıcı enjeksiyon dispersiyon etkisine dayanan optik yol anahtarını gerçekleştiren silikon optik anahtar, hızlı ışın taramasını ve büyük dizi ölçekli mikrowave foton uygulamalarını karşılayamayan yavaş anahtarlama hızı, güç tüketimi ve ısı tüketimi sorunlarına sahiptir.

Lityum niobate her zaman yüksek hız için ilk tercih olmuşturelektro-optik modülasyonMükemmel doğrusal elektro-optik etkisi nedeniyle malzemeler. Ancak, geleneksel lityum niobatelektro-optik modülatörbüyük lityum niobat kristal malzemeden yapılmıştır ve cihaz boyutu çok büyüktür, bu da entegre mikrodalga foton teknolojisinin ihtiyaçlarını karşılayamaz. Entegre mikrodalga foton teknoloji sistemi ile lityum niobat malzemelerinin doğrusal elektro-optik katsayı ile nasıl entegre edileceği ilgili araştırmacıların amacı haline gelmiştir. 2018 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Harvard Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi ilk olarak doğada ince film lityum niobat temelli fotonik entegrasyon teknolojisini bildirdi, çünkü teknoloji yüksek entegrasyon, büyük elektro-optik modülasyon bant genişliği ve yüksek lineerlik elektro-optik etkiye sahiptir, bir kez foton entegrasyon alanında akademik ve endüstriyel dikkatin hemen neden olmuştur. Mikrodalga foton uygulaması açısından, bu makale, mikrodalga foton teknolojisinin geliştirilmesi üzerindeki ince film lityum niobat'a dayanan foton entegrasyon teknolojisinin etkisini ve önemini gözden geçirmektedir.

İnce film lityum niobat malzemesi ve ince filmlityum niobat modülatörü
In recent two years, a new type of lithium niobate material has emerged, that is, the lithium niobate film is exfoliated from the massive lithium niobate crystal by the method of “ion slicing” and bonded to the Si wafer with a silica buffer layer to form LNOI (LiNbO3-On-Insulator) material [5], which is called thin film lithium niobate material in this paper. 100'den fazla nanometre yüksekliğe sahip sırt dalga kılavuzları, optimize edilmiş kuru aşınma işlemi ile ince film lityum niobat malzemeleri üzerine kazınabilir ve oluşan dalga kılavuzlarının etkili kırılma indisi farkı, Şekil 1'de gösterildiği gibi, 0.02'nin geleneksel lityum niobat dalga kılavuzlarının, 0.02'nin daha kolay gösterildiği gibi, 0,8'den çok daha yüksek hale gelebilir (0,02'nin daha kolay hale getirilmesi), daha kolay hale gelebilir. Modülatör tasarlarken alan. Bu nedenle, daha düşük yarım dalga voltajı ve daha büyük modülasyon bant genişliği elde etmek faydalıdır.

Düşük kayıplı lityum niobat submicron dalga kılavuzunun görünümü, geleneksel lityum niobat elektro-optik modülatörünün yüksek sürüş voltajının darboğazını kırar. Elektrot aralığı ~ 5 μm'ye düşürülebilir ve elektrik alanı ile optik mod alanı arasındaki örtüşme büyük ölçüde arttırılır ve Vπ · L, 20 V · cm'den 2,8 V · cm'den daha azına düşer. Bu nedenle, aynı yarım dalga voltajı altında, cihazın uzunluğu geleneksel modülatöre kıyasla büyük ölçüde azaltılabilir. Aynı zamanda, hareket eden dalga elektrotunun genişliğinin, kalınlığının ve aralığının parametrelerini optimize ettikten sonra, modülatör 100 GHz'den büyük ultra yüksek modülasyon bant genişliği yeteneğine sahip olabilir.

Şekil 1 （A） hesaplanan mod dağılımı ve （b） ln dalga kılavuzunun kesitinin görüntüsü

Şekil 2 （A） dalga kılavuzu ve elektrot yapısı ve （b） LN modülatörünün çekirdeği

İnce film lityum niobat modülatörlerinin geleneksel lityum niobat ticari modülatörleri, silikon bazlı modülatörler ve indiyum fosfit (INP) modülatörleri ve diğer yüksek hızlı elektro-optik modülatörler, karşılaştırmanın ana parametreleri ile karşılaştırılması şunları içerir:
(1) Modülatörün modülasyon verimliliğini ölçerek, yarım dalga volt-uzunluklu ürün (vπ · l, v · cm), değer ne kadar küçük olursa, modülasyon verimliliği o kadar yüksek olur;
(2) modülatörün yüksek frekanslı modülasyona tepkisini ölçen 3 dB modülasyon bant genişliği (GHz);
(3) Modülasyon bölgesinde optik yerleştirme kaybı (DB). Tablodan, ince film lityum niobat modülatörünün modülasyon bant genişliği, yarım dalga voltajı, optik enterpolasyon kaybı vb.

Silikon, entegre optoelektroniklerin temel taşı olarak, şimdiye kadar geliştirildiği için, süreç olgun, minyatürleştirmesi aktif/pasif cihazların büyük ölçekli entegrasyonuna elverişlidir ve modülatörü optik iletişim alanında geniş ve derinden incelenmiştir. Silikonun elektro-optik modülasyon mekanizması esas olarak taşıyıcı ekleme, taşıyıcı enjeksiyon ve taşıyıcı birikimidir. Bunlar arasında, modülatörün bant genişliği, doğrusal derece taşıyıcı tükenme mekanizması ile optimaldir, ancak optik alan dağılımı tükenme bölgesinin düzgün olmayanlığı ile örtüştüğü için, bu etki, taşıyıcının ışık üzerindeki emilim etkisi ile birleştirilen, optik modifikasyon ile birleştirilecek, bu etki, optik modifikasyon ile birleştirilecek, bu da sinyalin azaltılmasına yol açacaktır.

INP modülatörünün olağanüstü elektro-optik etkileri vardır ve çok katmanlı kuantum kuyusu yapısı, 0.156V · mm'ye kadar olan ultra yüksek oranlı ve düşük sürüş voltaj modülatörlerini gerçekleştirebilir. Bununla birlikte, kırılma indisinin elektrik alanı ile değişimi doğrusal ve doğrusal olmayan terimleri içerir ve elektrik alan yoğunluğunun artması ikinci dereceden etkiyi belirgin hale getirecektir. Bu nedenle, silikon ve INP elektro-optik modülatörlerinin çalıştıklarında PN kavşağı oluşturmak için önyargı uygulamaları gerekir ve PN kavşağı emilim kaybını ışığa getirecektir. Bununla birlikte, bu ikisinin modülatör boyutu küçüktür, ticari INP modülatör boyutu LN modülatörünün 1/4'üdür. Yüksek yoğunluklu ve kısa mesafeli dijital optik iletim ağları için uygun yüksek modülasyon verimliliği. Lityum niobatın elektro-optik etkisi, uzun mesafe tutarlı için uygun olan ışık emme mekanizması ve düşük kaybı yokturoptik iletişimbüyük kapasite ve yüksek oranlı. Mikrodalga foton uygulamasında, Si ve INP'nin elektro-optik katsayıları doğrusal değildir, bu da yüksek doğrusallık ve büyük dinamikler izleyen mikrodalga foton sistemi için uygun değildir. Lityum niobat malzemesi, tamamen doğrusal elektro-optik modülasyon katsayısı nedeniyle mikrodalga foton uygulaması için çok uygundur.