İnce film lityum niyobat malzemesi ve ince film lityum niyobat modülatörü

Entegre mikrodalga foton teknolojisinde ince film lityum niyobatın avantajları ve önemi

Mikrodalga foton teknolojisibüyük çalışma bant genişliği, güçlü paralel işleme yeteneği ve düşük iletim kaybı avantajlarına sahiptir, bu da geleneksel mikrodalga sisteminin teknik darboğazını kırma ve radar, elektronik savaş, iletişim ve ölçüm ve kontrol gibi askeri elektronik bilgi ekipmanlarının performansını iyileştirme potansiyeline sahiptir. Ancak, ayrık cihazlara dayalı mikrodalga foton sistemi, uzay ve hava platformlarında mikrodalga foton teknolojisinin uygulanmasını ciddi şekilde kısıtlayan büyük hacim, ağır ağırlık ve zayıf kararlılık gibi bazı sorunlara sahiptir. Bu nedenle, entegre mikrodalga foton teknolojisi, askeri elektronik bilgi sisteminde mikrodalga fotonun uygulanmasını kırmak ve mikrodalga foton teknolojisinin avantajlarından tam olarak yararlanmak için önemli bir destek haline geliyor.

Günümüzde, SI tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi ve INP tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi, optik iletişim alanında yıllar süren geliştirmelerden sonra giderek daha da olgunlaşmış ve piyasaya birçok ürün sunulmuştur. Bununla birlikte, mikrodalga foton uygulaması için, bu iki tür foton entegrasyon teknolojisinde bazı sorunlar vardır: örneğin, Si modülatörünün ve InP modülatörünün doğrusal olmayan elektro-optik katsayısı, mikrodalga foton teknolojisi tarafından takip edilen yüksek doğrusallık ve büyük dinamik özelliklere aykırıdır; Örneğin, ister termal-optik etkiye, ister piezoelektrik etkiye veya taşıyıcı enjeksiyon dispersiyon etkisine dayalı olsun, optik yol anahtarlamasını gerçekleştiren silikon optik anahtar, hızlı ışın tarama ve büyük dizi ölçekli mikrodalga foton uygulamalarını karşılayamayan yavaş anahtarlama hızı, güç tüketimi ve ısı tüketimi sorunlarına sahiptir.

Lityum niyobat her zaman yüksek hız için ilk tercih olmuşturelektro-optik modülasyonmükemmel doğrusal elektro-optik etkisi nedeniyle malzemeler. Ancak, geleneksel lityum niyobatelektro-optik modülatörmasif lityum niyobat kristal malzemeden yapılmıştır ve cihaz boyutu çok büyüktür, bu da entegre mikrodalga foton teknolojisinin ihtiyaçlarını karşılayamaz. Doğrusal elektro-optik katsayılı lityum niyobat malzemelerinin entegre mikrodalga foton teknolojisi sistemine nasıl entegre edileceği ilgili araştırmacıların hedefi haline gelmiştir. 2018 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Harvard Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, ince film lityum niyobat bazlı fotonik entegrasyon teknolojisini ilk olarak Nature'da bildirmiştir, çünkü teknoloji yüksek entegrasyon, büyük elektro-optik modülasyon bant genişliği ve elektro-optik etkinin yüksek doğrusallığı avantajlarına sahiptir, bir kez başlatıldığında, fotonik entegrasyon ve mikrodalga fotonik alanında akademik ve endüstriyel ilgiyi hemen uyandırmıştır. Mikrodalga foton uygulaması perspektifinden, bu makale ince film lityum niyobat bazlı foton entegrasyon teknolojisinin mikrodalga foton teknolojisinin gelişimi üzerindeki etkisini ve önemini incelemektedir.

İnce film lityum niyobat malzemesi ve ince filmlityum niyobat modülatörü
Son iki yılda, yeni bir tür lityum niyobat malzemesi ortaya çıktı, yani lityum niyobat filmi, "iyon dilimleme" yöntemi ile masif lityum niyobat kristalinden soyulur ve bir silika tampon tabakası ile Si gofretine bağlanarak LNOI (LiNbO3-Üzerinde-Yalıtkan) malzemesi oluşturulur [5]; bu, bu makalede ince film lityum niyobat malzemesi olarak adlandırılır. 100 nanometreden daha yüksek bir yüksekliğe sahip sırt dalga kılavuzları, optimize edilmiş kuru aşındırma işlemi ile ince film lityum niyobat malzemeleri üzerine aşındırılabilir ve oluşturulan dalga kılavuzlarının etkili kırılma indisi farkı, Şekil 1'de gösterildiği gibi 0,8'in üzerine (geleneksel lityum niyobat dalga kılavuzlarının 0,02'lik kırılma indisi farkından çok daha yüksek) ulaşabilir. Güçlü bir şekilde kısıtlanmış dalga kılavuzu, modülatörü tasarlarken ışık alanını mikrodalga alanıyla eşleştirmeyi kolaylaştırır. Bu nedenle daha kısa mesafede daha düşük yarım dalga gerilimi ve daha büyük modülasyon bant genişliği elde etmek avantajlıdır.

Düşük kayıplı lityum niyobat alt mikron dalga kılavuzunun görünümü, geleneksel lityum niyobat 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 artırılır ve vπ ·L, 20 V·cm'den fazladan 2,8 V·cm'den azına düşer. Bu nedenle, aynı yarım dalga voltajı altında, cihazın uzunluğu geleneksel modülatöre kıyasla büyük ölçüde azaltılabilir. Aynı zamanda, şekilde gösterildiği gibi, seyahat eden dalga elektrodunun genişliği, kalınlığı ve aralığının parametreleri optimize edildikten sonra, modülatör 100 GHz'den daha büyük ultra yüksek modülasyon bant genişliğine sahip olabilir.

Şekil 1 （a） hesaplanan mod dağılımı ve （b） LN dalga kılavuzunun kesit görüntüsü

Şekil 2 （a） LN modülatörünün dalga kılavuzu ve elektrot yapısı ve （b） çekirdek plakası

İnce film lityum niyobat modülatörlerinin geleneksel lityum niyobat ticari modülatörleri, silikon bazlı modülatörler ve indiyum fosfit (InP) modülatörleri ve diğer mevcut yüksek hızlı elektro-optik modülatörlerle karşılaştırılması, karşılaştırmanın ana parametreleri şunlardır:
(1) Yarım dalga volt-uzunluk ürünü (vπ ·L, V·cm), modülatörün modülasyon verimliliğini ölçer; değer ne kadar küçükse, modülasyon verimliliği o kadar yüksektir;
(2) Modülatörün yüksek frekanslı modülasyona yanıtını ölçen 3 dB modülasyon bant genişliği (GHz);
(3) Modülasyon bölgesindeki optik ekleme kaybı (dB). Tablodan ince film lityum niyobat modülatörünün modülasyon bant genişliği, yarım dalga voltajı, optik enterpolasyon kaybı vb. konularda belirgin avantajlara sahip olduğu görülebilir.

Entegre optoelektroniklerin temel taşı olan silikon, şu ana kadar geliştirildi, süreç olgunlaştı, minyatürleştirilmesi aktif/pasif cihazların büyük ölçekli entegrasyonuna elverişli ve modülatörü optik iletişim alanında kapsamlı ve derinlemesine incelendi. Silikonun elektro-optik modülasyon mekanizması esas olarak taşıyıcı tükenmesi, taşıyıcı enjeksiyonu ve taşıyıcı birikimidir. Bunlar arasında, modülatörün bant genişliği doğrusal derece taşıyıcı tükenme mekanizması ile optimumdur, ancak optik alan dağılımı tükenme bölgesinin tekdüze olmamasıyla örtüştüğü için, bu etki doğrusal olmayan ikinci dereceden bozulma ve üçüncü dereceden intermodülasyon bozulma terimleri getirecek ve taşıyıcının ışık üzerindeki emilim etkisiyle birleşerek optik modülasyon genliğinin ve sinyal bozulmasının azalmasına yol açacaktır.

InP modülatörü olağanüstü elektro-optik etkilere sahiptir ve çok katmanlı kuantum kuyusu yapısı, 0,156 V · mm'ye kadar Vπ·L ile ultra yüksek oranlı ve düşük sürüş voltajlı modülatörleri gerçekleştirebilir. Ancak, 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 modülatörlerin çalışırken pn bağlantısı oluşturmak için önyargı uygulaması gerekir ve pn bağlantısı emilim kaybını ortaya çıkaracaktır. Ancak, bu ikisinin modülatör boyutu küçüktür, ticari InP modülatör boyutu LN modülatörünün 1/4'üdür. Yüksek modülasyon verimliliği, veri merkezleri gibi yüksek yoğunluklu ve kısa mesafeli dijital optik iletim ağları için uygundur. Lityum niyobatın elektro-optik etkisinin ışık emilim mekanizması ve düşük kaybı yoktur, bu da uzun mesafeli tutarlıoptik iletişimbüyük kapasiteli ve yüksek oranlı. Mikrodalga foton uygulamasında, Si ve InP'nin elektro-optik katsayıları doğrusal değildir, bu da yüksek doğrusallık ve büyük dinamikler arayan mikrodalga foton sistemi için uygun değildir. Lityum niyobat malzemesi, tamamen doğrusal elektro-optik modülasyon katsayısı nedeniyle mikrodalga foton uygulaması için çok uygundur.