İnce film lityum niyobat malzemesi ve ince film lityum niyobat modülatörü

Entegre mikrodalga foton teknolojisinde ince film lityum niyobatın avantajları ve önemi

Mikrodalga foton teknolojisiGeniş çalışma bant genişliği, güçlü paralel işlem kabiliyeti ve düşük iletim kaybı gibi avantajlara sahip olan bu teknoloji, geleneksel mikrodalga sistemlerinin teknik darboğazını aşma ve radar, elektronik harp, iletişim, ölçüm ve kontrol gibi askeri elektronik bilgi ekipmanlarının performansını iyileştirme potansiyeline sahiptir. Ancak, ayrık cihazlara dayalı mikrodalga foton sistemleri, büyük hacim, ağır ağırlık ve düşük kararlılık gibi bazı sorunlara sahiptir ve bu da mikrodalga foton teknolojisinin uzay ve hava platformlarında uygulanmasını ciddi şekilde kısıtlamaktadır. Bu nedenle, entegre mikrodalga foton teknolojisi, mikrodalga fotonunun askeri elektronik bilgi sistemlerindeki uygulamasını aşmak ve mikrodalga foton teknolojisinin avantajlarından tam olarak yararlanmak için önemli bir destek haline gelmektedir.

Günümüzde, optik haberleşme alanında yıllar süren geliştirmelerin ardından SI tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi ve INP tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi giderek daha olgun hale gelmiş ve birçok ürün piyasaya sürülmüştür. Ancak, mikrodalga foton uygulamaları için bu iki tür foton entegrasyon teknolojisinde bazı sorunlar bulunmaktadır: örneğin, Si modülatör ve InP modülatörünün doğrusal olmayan elektro-optik katsayısı, mikrodalga foton teknolojisinin benimsediği yüksek doğrusallık ve büyük dinamik özelliklerle çelişmektedir; örneğin, ister termal-optik etkiye, ister piezoelektrik etkiye veya taşıyıcı enjeksiyon dispersiyon etkisine dayalı olsun, optik yol anahtarlamasını gerçekleştiren silikon optik anahtar, yavaş anahtarlama hızı, güç tüketimi ve ısı tüketimi sorunlarına sahiptir ve bu da hızlı ışın tarama ve geniş dizi ölçekli mikrodalga foton uygulamalarını karşılayamamaktadır.

Lityum niyobat her zaman yüksek hızlı elektronik cihazlar için ilk tercih olmuşturelektro-optik modülasyonMükemmel doğrusal elektro-optik etkisi nedeniyle malzemeler. Bununla birlikte, geleneksel lityum niyobatelektro-optik modülatörBüyük boyutlu lityum niyobat kristal malzemeden yapılmıştır ve cihaz boyutu çok büyüktür, bu da entegre mikrodalga foton teknolojisinin ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır. 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 kez Nature dergisinde bildirmiştir; çünkü teknoloji yüksek entegrasyon, geniş elektro-optik modülasyon bant genişliği ve yüksek elektro-optik etki doğrusallığı avantajlarına sahiptir. Bir kez başlatıldığında, fotonik entegrasyon ve mikrodalga fotonik alanında akademik ve endüstriyel ilgiyi hemen çekmiştir. 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 büyük lityum niyobat kristalinden soyulur ve bir silika tampon tabakası ile Si gofretine bağlanarak LNOI (LiNbO3-Üzerinde-Yalıtkan) malzemesini oluşturur [5]; bu malzeme bu makalede ince film lityum niyobat malzemesi olarak adlandırılmıştır. 100 nanometreden daha yüksek bir yüksekliğe sahip sırt dalga kılavuzları, optimize edilmiş kuru aşındırma işlemi ile ince film lityum niyobat malzemeler üzerine aşındırılabilir ve oluşturulan dalga kılavuzlarının etkili kırılma indisi farkı, Şekil 1'de gösterildiği gibi 0,8'den fazlaya (geleneksel lityum niyobat dalga kılavuzlarının 0,02'lik kırılma indisi farkından çok daha yüksek) ulaşabilir. Güçlü bir şekilde sınırlandırılmış dalga kılavuzu, modülatörü tasarlarken ışık alanını mikrodalga alanıyla eşleştirmeyi kolaylaştırır. Bu nedenle daha kısa bir mesafede daha düşük yarım dalga gerilimi ve daha büyük modülasyon bant genişliği elde etmek faydalıdır.

Düşük kayıplı lityum niyobat alt mikron dalga kılavuzunun ortaya çıkması, geleneksel lityum niyobat elektro-optik modülatörünün yüksek sürüş voltajı darboğazını ortadan kaldırır. Elektrot aralığı ~ 5 μm'ye kadar azaltılabilir ve elektrik alanı ile optik mod alanı arasındaki örtüşme büyük ölçüde artırılarak vπ·L, 20 V·cm'den fazladan 2,8 V·cm'nin altına düşer. Bu nedenle, aynı yarım dalga voltajı altında, cihazın uzunluğu geleneksel modülatöre kıyasla büyük ölçüde azaltılabilir. Aynı zamanda, şekilde gösterildiği gibi, hareket eden dalga elektrodunun genişliği, kalınlığı ve aralığının parametreleri optimize edildikten sonra, modülatör 100 GHz'den daha yüksek 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 fosfür (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 tepkisini ölçen 3 dB modülasyon bant genişliği (GHz);
(3) Modülasyon bölgesindeki optik ekleme kaybı (dB). Tablodan görülebileceği gibi, ince film lityum niyobat modülatörü modülasyon bant genişliği, yarım dalga gerilimi, optik enterpolasyon kaybı vb. açılardan belirgin avantajlara sahiptir.

Entegre optoelektroniğin temel taşı olan silikon, bugüne kadar geliştirilmiş, süreci olgunlaşmış, minyatürleştirilmesi aktif/pasif cihazların büyük ölçekli entegrasyonuna elverişli hale gelmiş ve modülatörü optik iletişim alanında kapsamlı ve derinlemesine incelenmiştir. Silikonun elektro-optik modülasyon mekanizması esas olarak taşıyıcı tükenmesi, taşıyıcı enjeksiyonu ve taşıyıcı birikimidir. Bunlar arasında, modülatörün bant genişliği doğrusal dereceli taşıyıcı tükenme mekanizması ile optimumdur, ancak optik alan dağılımı tükenme bölgesinin homojen olmamasıyla örtüştüğü için bu etki, taşıyıcının ışık üzerindeki soğurma etkisiyle birleşerek doğrusal olmayan ikinci dereceden bozulma ve üçüncü dereceden intermodülasyon bozulma terimlerini ortaya çıkaracaktır. Bu da 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'ye sahip ultra yüksek hızlı ve düşük sürüş voltajlı modülatörleri gerçekleştirebilir. Ancak, kırılma indisinin elektrik alana göre 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 modülatörler çalışırken pn eklemi oluşturmak için öngerilim uygulamak zorundadır ve pn eklemi 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 emme mekanizması yoktur ve düşük kaybı vardır, bu da uzun mesafeli koherent iletim ağları için uygundur.optik iletişimYüksek kapasite ve yüksek hıza sahiptir. Mikrodalga foton uygulamasında, Si ve InP'nin elektro-optik katsayıları doğrusal değildir ve bu, yüksek doğrusallık ve büyük dinamikler arayan mikrodalga foton sistemleri için uygun değildir. Lityum niyobat malzemesi, tamamen doğrusal elektro-optik modülasyon katsayısı nedeniyle mikrodalga foton uygulamaları için oldukça uygundur.