İnce film lityum niyobat malzemesi ve ince film lityum niyobat modülatörü

Entegre mikrodalga foton teknolojisinde ince film lityum niyobatın avantajları ve önemi

Mikrodalga foton teknolojisiGeleneksel mikrodalga sisteminin teknik darboğazını kırma ve radar, elektronik harp, iletişim ve ölçüm gibi askeri elektronik bilgi ekipmanlarının performansını artırma potansiyeline sahip olan geniş çalışma bant genişliği, güçlü paralel işlem yeteneği ve düşük iletim kaybı avantajlarına sahiptir. kontrol. Bununla birlikte, ayrık cihazlara dayanan mikrodalga foton sisteminin, büyük hacim, ağır ağırlık ve zayıf stabilite gibi bazı sorunları vardır ve bunlar, mikrodalga foton teknolojisinin uzay ve hava platformlarında uygulanmasını ciddi şekilde kısıtlar. Bu nedenle, entegre mikrodalga foton teknolojisi, mikrodalga fotonunun askeri elektronik bilgi sisteminde uygulanmasını kırmak ve mikrodalga foton teknolojisinin avantajlarından tam anlamıyla yararlanmak için önemli bir destek haline geliyor.

Şu anda, SI tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi ve INP tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi, optik iletişim alanında yıllar süren gelişimden sonra giderek daha olgun hale geldi ve birçok ürün piyasaya sürüldü. Bununla birlikte, mikrodalga fotonunun uygulanması için, bu iki tür foton entegrasyon teknolojisinde bazı problemler vardır: örneğin, Si modülatörünün ve InP modülatörünün doğrusal olmayan elektro-optik katsayısı, mikrodalga tarafından takip edilen yüksek doğrusallık ve büyük dinamik özelliklere aykırıdır. foton teknolojisi; Örneğin, termal-optik etkiye, piezoelektrik etkiye veya taşıyıcı enjeksiyon dağılım etkisine dayalı olarak optik yol anahtarlamayı gerçekleştiren silikon optik anahtar, yavaş anahtarlama hızı, güç tüketimi ve ısı tüketimi sorunlarına sahiptir; ışın tarama ve büyük dizi ölçekli mikrodalga foton uygulamaları.

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 cihazın 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 niyobatı temel alan fotonik entegrasyon teknolojisini ilk kez Nature'da bildirdi; çünkü bu teknoloji, yüksek entegrasyon, büyük elektro-optik modülasyon bant genişliği ve yüksek elektro-optik modülasyon bant genişliği avantajlarına sahiptir. -optik etki, piyasaya sürüldüğü andan itibaren fotonik entegrasyon ve mikrodalga fotoniği alanında akademik ve endüstriyel ilginin hemen artmasına neden oldu. Mikrodalga foton uygulaması perspektifinden bakıldığında, bu makale, ince film lityum niyobatı temel alan foton entegrasyon teknolojisinin mikrodalga foton teknolojisinin gelişimi üzerindeki etkisini ve önemini gözden geçirmektedir.

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, masif lityum niyobat kristalinden "iyon dilimleme" yöntemiyle pul pul dökülüyor ve silika tampon tabakasıyla Si levhaya bağlanıyor. Bu yazıda ince film lityum niyobat malzemesi olarak adlandırılan LNOI (LiNbO3-On-Insulator) malzemesini [5] oluşturur. Yüksekliği 100 nanometreden fazla olan sırt dalga kılavuzları, optimize edilmiş kuru dağlama işlemiyle ince film lityum niyobat malzemeleri üzerine kazınabilir ve oluşturulan dalga kılavuzlarının etkili kırılma indeksi farkı, 0,8'den fazlaya ulaşabilir (geleneksel kırılma indeksi farkından çok daha yüksek). Şekil 1'de gösterildiği gibi lityum niyobat dalga kılavuzları 0,02). Güçlü bir şekilde sınırlandırılmış dalga kılavuzu, modülatörü tasarlarken ışık alanını mikrodalga alanıyla eşleştirmeyi kolaylaştırır. Bu nedenle, daha kısa uzunlukta daha düşük yarım dalga voltajı ve daha büyük modülasyon bant genişliği elde etmek faydalıdır.

Düşük kayıplı lityum niyobat mikron altı dalga kılavuzunun ortaya çıkışı, geleneksel lityum niyobat elektro-optik modülatörün yüksek sürüş voltajının darboğazını kırar. Elektrot aralığı ~ 5 μm'ye azaltılabilir ve elektrik alanı ile optik mod alanı arasındaki örtüşme büyük ölçüde artar ve vπ ·L, 20 V·cm'den fazladan 2,8 V·cm'nin altına düşer. Bu nedenle, aynı yarım dalga voltajı altında cihazın uzunluğu, geleneksel modülatörle karşılaştırıldığında büyük ölçüde azaltılabilir. Aynı zamanda, şekilde gösterildiği gibi ilerleyen dalga elektrotunun genişliği, kalınlığı ve aralığı parametreleri optimize edildikten sonra modülatör, 100 GHz'den daha büyük ultra yüksek modülasyon bant genişliği yeteneğine sahip olabilir.

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

Şekil 2 （a） Dalga kılavuzu ve elektrot yapısı ve （b） LN modülatörünün 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 şunları içerir:
(1) Modülatörün modülasyon verimliliğini ölçen yarım dalga volt-uzunluk çarpımı (vπ ·L, V·cm), değer ne kadar küçükse, modülasyon verimliliği de o kadar yüksek olur;
(2) Modülatörün yüksek frekanslı modülasyona tepkisini ölçen 3 dB modülasyon bant genişliği (GHz);
(3) Modülasyon bölgesinde optik ekleme kaybı (dB). İnce film lityum niyobat modülatörünün modülasyon bant genişliği, yarım dalga voltajı, optik enterpolasyon kaybı vb. konularda belirgin avantajlara sahip olduğu tablodan görülebilir.

Entegre optoelektroniğin temel taşı olan silikon şu ana kadar geliştirildi, süreç olgunlaştı, minyatürleştirilmesi aktif/pasif cihazların büyük ölçekli entegrasyonuna yardımcı oldu ve modülatörü optik alanında geniş ve derinlemesine araştırıldı. iletişim. Silikonun elektro-optik modülasyon mekanizması temel olarak taşıyıcı tükenmesi, taşıyıcı enjeksiyonu ve taşıyıcı birikmesidir. Bunlar arasında, modülatörün bant genişliği, doğrusal dereceli taşıyıcı tükenme mekanizmasıyla optimaldir, ancak optik alan dağılımı, tükenme bölgesinin tekdüzeliğiyle örtüşmediği için, bu etki, doğrusal olmayan ikinci dereceden distorsiyon ve üçüncü dereceden modülasyonlar arası distorsiyona neden olacaktır. taşıyıcının ışık üzerindeki soğurma etkisi ile birleştiğinde optik modülasyon genliğinin ve sinyal bozulmasının azalmasına yol açacaktır.

InP modülatörü olağanüstü elektro-optik etkilere sahiptir ve çok katmanlı kuantum kuyusu yapısı, 0,156V · mm'ye kadar Vπ·L ile ultra yüksek hız ve düşük sürüş voltajı modülatörlerini gerçekleştirebilir. Ancak kırılma indisinin elektrik alanla değişimi doğrusal ve doğrusal olmayan terimleri içermekte olup, elektrik alan şiddetinin artması ikinci dereceden etkiyi ön plana çıkaracaktır. Bu nedenle, silikon ve InP elektro-optik modülatörlerin çalışırken pn bağlantısı oluşturmak için öngerilim uygulaması gerekir ve pn bağlantısı emilim kaybını ışığa çıkaracaktır. Ancak bu ikisinin modülatör boyutu küçüktür, ticari InP modülatör boyutu LN modülatörünün 1/4'üdür. Veri merkezleri gibi yüksek yoğunluklu ve kısa mesafeli dijital optik iletim ağları için uygun, yüksek modülasyon verimliliği. Lityum niyobatın elektro-optik etkisinin ışık emme mekanizması yoktur ve uzun mesafe tutarlılığı için uygun olan düşük kayıp vardır.optik iletişimBüyük kapasiteli ve yüksek oranlı. Mikrodalga foton uygulamasında Si ve InP'nin elektro-optik katsayıları doğrusal değildir; bu durum, yüksek doğrusallık ve büyük dinamikler peşinde koşan mikrodalga foton sistemi için uygun değildir. Lityum niyobat malzemesi, tamamen doğrusal elektro-optik modülasyon katsayısı nedeniyle mikrodalga foton uygulaması için çok uygundur.