İnce film lityum niobat malzeme ve ince film lityum niobat modülatör

Entegre mikrodalga foton teknolojisinde ince film lityum niobatın avantajları ve önemi

Mikrodalga foton teknolojisiGeniş çalışma bant genişliği, güçlü paralel işleme yeteneği ve düşük iletim kaybı avantajlarına sahip olan mikrodalga foton teknolojisi, geleneksel mikrodalga sistemlerinin teknik darboğazını aşma ve radar, elektronik savaş, iletişim ve ölçüm-kontrol gibi askeri elektronik bilgi ekipmanlarının performansını iyileştirme potansiyeline sahiptir. Bununla birlikte, ayrık cihazlara dayalı mikrodalga foton sisteminin büyük hacim, ağır ağırlık ve düşük kararlılık gibi bazı sorunları vardır; bu da mikrodalga foton teknolojisinin uzay ve hava platformlarında uygulanmasını ciddi şekilde kısıtlamaktadır. Bu nedenle, entegre mikrodalga foton teknolojisi, mikrodalga fotonun askeri elektronik bilgi sistemlerinde uygulanmasını kırmak ve mikrodalga foton teknolojisinin avantajlarından tam olarak yararlanmak için önemli bir destek haline gelmektedir.

Günümüzde, optik iletişim alanındaki yıllar süren gelişmelerin ardından, silikon (SI) tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi ve inorganik polipropilen (INP) tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisi giderek olgunlaşmış ve piyasaya birçok ürün sunulmuştur. Bununla birlikte, mikrodalga foton uygulamaları için bu iki tür foton entegrasyon teknolojisinde bazı sorunlar bulunmaktadır: Örneğin, silikon modülatör ve inorganik polipropilen modülatörün doğrusal olmayan elektro-optik katsayısı, mikrodalga foton teknolojisinin hedeflediği yüksek doğrusallık ve geniş dinamik özelliklere aykırıdır; örneğin, termal-optik etki, piezoelektrik etki veya taşıyıcı enjeksiyon dağılım etkisine dayalı olsun, optik yol değiştirme işlemini 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 niobat, yüksek hızlı uygulamalar için her zaman ilk tercih olmuştur.elektro-optik modülasyonMükemmel doğrusal elektro-optik etkisi nedeniyle malzemelerde kullanılır. Bununla birlikte, geleneksel lityum niobatelektro-optik modülatörBüyük lityum niobat kristal malzemeden üretilen ve cihaz boyutu çok büyük olan bu cihazlar, entegre mikrodalga foton teknolojisinin ihtiyaçlarını karşılayamamaktadır. Doğrusal elektro-optik katsayıya sahip lityum niobat 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, Nature dergisinde ince film lityum niobat tabanlı fotonik entegrasyon teknolojisini ilk kez rapor etmiştir. Bu teknoloji, yüksek entegrasyon, geniş elektro-optik modülasyon bant genişliği ve elektro-optik etkinin yüksek doğrusallığı gibi avantajlara sahip olduğu için, piyasaya sürüldüğü anda fotonik entegrasyon ve mikrodalga foton alanında akademik ve endüstriyel ilgiyi hemen çekmiştir. Bu makale, mikrodalga foton uygulaması perspektifinden, ince film lityum niobat tabanlı foton entegrasyon teknolojisinin mikrodalga foton teknolojisinin gelişimine etkisini ve önemini incelemektedir.

İnce film lityum niobat malzeme ve ince filmlityum niobat modülatörü
Son iki yılda, yeni bir lityum niobat malzeme türü ortaya çıktı; yani, lityum niobat filmi, “iyon dilimleme” yöntemiyle büyük lityum niobat kristalinden ayrıştırılarak ve bir silika tampon tabakası ile Si yonga levhasına bağlanarak LNOI (LiNbO3-On-Insulator) malzemesi oluşturulur [5], bu da bu makalede ince film lityum niobat malzeme olarak adlandırılır. Optimize edilmiş kuru aşındırma işlemi ile ince film lityum niobat malzemeler üzerine 100 nanometreden daha yüksek oluklu dalga kılavuzları işlenebilir ve oluşturulan dalga kılavuzlarının etkin kırılma indisi farkı 0,8'den fazla olabilir (geleneksel lityum niobat dalga kılavuzlarının 0,02 olan kırılma indisi farkından çok daha yüksek), Şekil 1'de gösterildiği gibi. Güçlü şekilde kısıtlanmış dalga kılavuzu, modülatör tasarlanırken ışık alanının mikrodalga alanı ile eşleştirilmesini kolaylaştırır. Dolayısıyla, daha kısa bir uzunlukta daha düşük yarı dalga gerilimi ve daha geniş modülasyon bant genişliği elde etmek faydalıdır.

Düşük kayıplı lityum niobat alt mikron dalga kılavuzunun ortaya çıkışı, geleneksel lityum niobat elektro-optik modülatörün yüksek sürüş voltajı darboğazını ortadan kaldırıyor. Elektrot aralığı ~5 μm'ye kadar azaltılabiliyor ve elektrik alanı ile optik mod alanı arasındaki örtüşme büyük ölçüde artırılıyor, böylece vπ·L değeri 20 V·cm'den 2,8 V·cm'den daha azına düşüyor. Bu nedenle, aynı yarım dalga voltajı altında, cihazın uzunluğu geleneksel modülatöre kıyasla büyük ölçüde azaltılabiliyor. Aynı zamanda, şekilde gösterildiği gibi, hareketli dalga elektrotunun genişliği, kalınlığı ve aralığı parametreleri optimize edildikten sonra, modülatör 100 GHz'den daha yüksek ultra yüksek modülasyon bant genişliğine sahip olabiliyor.

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 niobat modülatörlerinin geleneksel lityum niobat ticari modülatörleri, silikon bazlı modülatörler, indiyum fosfit (InP) modülatörleri ve diğer mevcut yüksek hızlı elektro-optik modülatörlerle karşılaştırılması; karşılaştırmanın ana parametreleri şunlardır:
(1) Yarım dalga volt-uzunluk çarpımı (vπ ·L, V·cm), modülatörün modülasyon verimliliğini ölçer; değer ne kadar küçükse, modülasyon verimliliği o kadar yüksektir;
(2) 3 dB modülasyon bant genişliği (GHz), modülatörün yüksek frekanslı modülasyona verdiği tepkiyi ölçer;
(3) Modülasyon bölgesindeki optik ekleme kaybı (dB). Tablodan görülebileceği gibi, ince film lityum niobat modülatörünün modülasyon bant genişliği, yarı dalga gerilimi, optik enterpolasyon kaybı vb. konularda belirgin avantajları vardır.

Entegre optoelektroniğin temel taşı olan silikon, bugüne kadar geliştirilmiş, işleme süreci olgunlaşmış, minyatürleştirilmesi aktif/pasif cihazların büyük ölçekli entegrasyonuna elverişli ve modülatörü optik iletişim alanında geniş 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 tükenmesi mekanizmasıyla en uygunudur, ancak optik alan dağılımı tükenme bölgesinin homojen olmamasıyla örtüştüğü için, bu etki doğrusal olmayan ikinci dereceden bozulma ve üçüncü dereceden ara modülasyon bozulma terimlerini ortaya çıkaracak ve taşıyıcının ışık üzerindeki soğurma etkisiyle birleşerek optik modülasyon genliğinin azalmasına ve sinyal bozulmasına yol açacaktır.

InP modülatörü olağanüstü elektro-optik etkilere sahiptir ve çok katmanlı kuantum kuyusu yapısı, Vπ·L'nin 0,156V·mm'ye kadar çıktığı ultra yüksek hızlı ve düşük sürüş voltajlı modülatörler gerçekleştirebilir. Bununla birlikte, kırılma indeksinin elektrik alanıyla değişimi doğrusal ve doğrusal olmayan terimleri içerir ve elektrik alan şiddetinin artması ikinci dereceden etkiyi belirgin hale getirecektir. Bu nedenle, silikon ve InP elektro-optik modülatörler çalışırken pn eklemi oluşturmak için önyargı uygulamak zorundadır ve pn eklemi ışığa soğurma kaybı getirecektir. Bununla birlikte, bu ikisinin modülatör boyutu küçüktür, ticari InP modülatörünün boyutu LN modülatörünün 1/4'ü kadardır. Yüksek modülasyon verimliliği, veri merkezleri gibi yüksek yoğunluklu ve kısa mesafeli dijital optik iletim ağları için uygundur. Lityum niobatın elektro-optik etkisi, ışık soğurma mekanizmasına sahip değildir ve düşük kayıplıdır, bu da uzun mesafeli tutarlılık için uygundur.optik iletişimYüksek kapasite ve yüksek hız ile. Mikrodalga foton uygulamasında, Si ve InP'nin elektro-optik katsayıları doğrusal değildir, bu da yüksek doğrusallık ve büyük dinamiklik arayan mikrodalga foton sistemi için uygun değildir. Lityum niobat malzemesi, tamamen doğrusal elektro-optik modülasyon katsayısı nedeniyle mikrodalga foton uygulaması için çok uygundur.