Material de niobat de liti de pel·lícula fina i modulador de niobat de liti de pel·lícula fina

Avantatges i importància del niobat de liti de pel·lícula fina en la tecnologia integrada de fotons de microones

Tecnologia de fotons de microonesté els avantatges d'un gran ample de banda de treball, una forta capacitat de processament paral·lel i una baixa pèrdua de transmissió, cosa que té el potencial de trencar el coll d'ampolla tècnic del sistema de microones tradicional i millorar el rendiment dels equips d'informació electrònica militar com ara el radar, la guerra electrònica, la comunicació i la mesura i el control. Tanmateix, el sistema de fotons de microones basat en dispositius discrets té alguns problemes com ara un gran volum, un pes elevat i una mala estabilitat, que restringeixen seriosament l'aplicació de la tecnologia de fotons de microones en plataformes espacials i aerotransportades. Per tant, la tecnologia integrada de fotons de microones s'està convertint en un suport important per trencar l'aplicació del foton de microones en el sistema d'informació electrònica militar i aprofitar al màxim els avantatges de la tecnologia de fotons de microones.

Actualment, la tecnologia d'integració fotònica basada en SI i la tecnologia d'integració fotònica basada en INP han madurat cada cop més després d'anys de desenvolupament en el camp de la comunicació òptica, i s'han comercialitzat molts productes. Tanmateix, per a l'aplicació de fotons de microones, hi ha alguns problemes en aquests dos tipus de tecnologies d'integració de fotons: per exemple, el coeficient electroòptic no lineal del modulador de Si i el modulador d'InP és contrari a l'alta linealitat i les grans característiques dinàmiques que persegueix la tecnologia de fotons de microones; Per exemple, l'interruptor òptic de silici que realitza la commutació de la ruta òptica, ja sigui basada en l'efecte tèrmic-òptic, l'efecte piezoelèctric o l'efecte de dispersió d'injecció de portadors, té els problemes de velocitat de commutació lenta, consum d'energia i consum de calor, que no poden satisfer les aplicacions d'escaneig ràpid de feix i de fotons de microones a gran escala.

El niobat de liti sempre ha estat la primera opció per a alta velocitatmodulació electroòpticamaterials a causa del seu excel·lent efecte electroòptic lineal. Tanmateix, el niobat de liti tradicionalmodulador electroòpticestà fet de material cristall de niobat de liti massiu, i la mida del dispositiu és molt gran, cosa que no pot satisfer les necessitats de la tecnologia integrada de fotons de microones. La manera d'integrar materials de niobat de liti amb un coeficient electroòptic lineal en el sistema integrat de tecnologia de fotons de microones s'ha convertit en l'objectiu dels investigadors rellevants. El 2018, un equip de recerca de la Universitat de Harvard als Estats Units va informar per primera vegada a Nature sobre la tecnologia d'integració fotònica basada en niobat de liti de pel·lícula fina. Com que la tecnologia té els avantatges d'una alta integració, un gran ample de banda de modulació electroòptica i una alta linealitat de l'efecte electroòptic, un cop llançada, va despertar immediatament l'atenció acadèmica i industrial en el camp de la integració fotònica i la fotònica de microones. Des de la perspectiva de l'aplicació de fotons de microones, aquest article revisa la influència i la importància de la tecnologia d'integració fotònica basada en niobat de liti de pel·lícula fina en el desenvolupament de la tecnologia de fotons de microones.

Material de niobat de liti de pel·lícula fina i pel·lícula finamodulador de niobat de liti
En els darrers dos anys, ha sorgit un nou tipus de material de niobat de liti, és a dir, la pel·lícula de niobat de liti s'exfolia del cristall massiu de niobat de liti mitjançant el mètode de "tall iònic" i s'uneix a l'oblia de Si amb una capa tampó de sílice per formar material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], que en aquest article s'anomena material de niobat de liti de pel·lícula fina. Les guies d'ona de cresta amb una alçada de més de 100 nanòmetres es poden gravar en materials de niobat de liti de pel·lícula fina mitjançant un procés de gravat en sec optimitzat, i la diferència d'índex de refracció efectiva de les guies d'ona formades pot arribar a més de 0,8 (molt més alta que la diferència d'índex de refracció de les guies d'ona de niobat de liti tradicionals de 0,02), com es mostra a la Figura 1. La guia d'ona fortament restringida facilita la coincidència del camp de llum amb el camp de microones a l'hora de dissenyar el modulador. Per tant, és beneficiós aconseguir un voltatge de mitja ona més baix i un ample de banda de modulació més gran en una longitud més curta.

L'aparició d'una guia d'ones submicrònica de niobat de liti de baixa pèrdua trenca el coll d'ampolla de l'alta tensió d'accionament del modulador electroòptic de niobat de liti tradicional. L'espaiat entre elèctrodes es pot reduir a ~5 μm, i la superposició entre el camp elèctric i el camp del mode òptic augmenta considerablement, i la vπ·L disminueix de més de 20 V·cm a menys de 2,8 V·cm. Per tant, amb la mateixa tensió de mitja ona, la longitud del dispositiu es pot reduir considerablement en comparació amb el modulador tradicional. Al mateix temps, després d'optimitzar els paràmetres de l'amplada, el gruix i l'interval de l'elèctrode d'ona viatgera, com es mostra a la figura, el modulador pot tenir la capacitat d'un ample de banda de modulació ultra alt superior a 100 GHz.

Fig. 1 (a) distribució de mode calculada i (b) imatge de la secció transversal de la guia d'ones LN

Fig. 2 (a) Estructura de la guia d'ones i l'elèctrode i (b) placa central del modulador LN

La comparació dels moduladors de niobat de liti de pel·lícula fina amb els moduladors comercials tradicionals de niobat de liti, els moduladors basats en silici i els moduladors de fosfur d'indi (InP) i altres moduladors electroòptics d'alta velocitat existents, els principals paràmetres de la comparació inclouen:
(1) Producte de longitud de volt de mitja ona (vπ·L, V·cm), que mesura l'eficiència de modulació del modulador, com més petit sigui el valor, més alta serà l'eficiència de modulació;
(2) Ample de banda de modulació de 3 dB (GHz), que mesura la resposta del modulador a la modulació d'alta freqüència;
(3) Pèrdua d'inserció òptica (dB) a la regió de modulació. Es pot veure a la taula que el modulador de niobat de liti de pel·lícula fina té avantatges evidents en l'amplada de banda de modulació, el voltatge de mitja ona, la pèrdua d'interpolació òptica, etc.

El silici, com a pedra angular de l'optoelectrònica integrada, s'ha desenvolupat fins ara, el procés és madur, la seva miniaturització és propícia per a la integració a gran escala de dispositius actius/passius, i el seu modulador ha estat àmpliament i profundament estudiat en el camp de la comunicació òptica. El mecanisme de modulació electroòptica del silici és principalment la depleció de portadores, la injecció de portadores i l'acumulació de portadores. Entre ells, l'amplada de banda del modulador és òptima amb el mecanisme de depleció de portadores de grau lineal, però com que la distribució del camp òptic se superposa amb la no uniformitat de la regió de depleció, aquest efecte introduirà termes de distorsió no lineal de segon ordre i distorsió d'intermodulació de tercer ordre, juntament amb l'efecte d'absorció de la portadora sobre la llum, cosa que conduirà a la reducció de l'amplitud de la modulació òptica i la distorsió del senyal.

El modulador InP té efectes electroòptics destacats, i l'estructura de pou quàntic multicapa pot aconseguir moduladors de velocitat ultra alta i baixa tensió de conducció amb Vπ·L de fins a 0,156 V · mm. Tanmateix, la variació de l'índex de refracció amb el camp elèctric inclou termes lineals i no lineals, i l'augment de la intensitat del camp elèctric farà que l'efecte de segon ordre sigui prominent. Per tant, els moduladors electroòptics de silici i InP han d'aplicar polarització per formar una unió pn quan funcionen, i la unió pn portarà pèrdua d'absorció a la llum. Tanmateix, la mida del modulador d'aquests dos és petita, la mida del modulador InP comercial és 1/4 del modulador LN. Alta eficiència de modulació, adequada per a xarxes de transmissió òptica digital d'alta densitat i curta distància com ara centres de dades. L'efecte electroòptic del niobat de liti no té cap mecanisme d'absorció de llum i baixa pèrdua, cosa que és adequada per a coherència de llarga distància.comunicació òpticaamb gran capacitat i alta velocitat. En l'aplicació de fotons de microones, els coeficients electroòptics de Si i InP no són lineals, cosa que no és adequada per al sistema de fotons de microones que persegueix una alta linealitat i una gran dinàmica. El material de niobat de liti és molt adequat per a l'aplicació de fotons de microones a causa del seu coeficient de modulació electroòptica completament lineal.