Material de niòbat de liti de pel·lícula fina i modulador de niòbat 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 microones de fotonsté els avantatges d'una gran amplada de banda de treball, una forta capacitat de processament paral·lel i una baixa pèrdua de transmissió, que té el potencial de trencar el coll d'ampolla tècnic del sistema tradicional de microones i millorar el rendiment dels equips d'informació electrònica militar com ara el radar, la guerra electrònica, la comunicació i el mesurament i control.No obstant això, el sistema de fotons de microones basat en dispositius discrets té alguns problemes com el gran volum, el pes pesat i la poca estabilitat, que restringeixen seriosament l'aplicació de la tecnologia de fotons de microones a les plataformes aerotransportades i espacials.Per tant, la tecnologia de fotons de microones integrada s'està convertint en un suport important per trencar l'aplicació del fotó de microones en el sistema d'informació electrònica militar i donar el màxim partit als 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 s'han tornat cada cop més madures després d'anys de desenvolupament en el camp de la comunicació òptica i s'han posat al mercat molts productes.Tanmateix, per a l'aplicació del fotó de microones, hi ha alguns problemes en aquests dos tipus de tecnologies d'integració de fotons: per exemple, el coeficient electro-òptic no lineal del modulador Si i el modulador InP és contrari a l'alta linealitat i les grans característiques dinàmiques perseguides pel microones. tecnologia de fotons;Per exemple, l'interruptor òptic de silici que realitza la commutació del camí òptic, ja sigui basat en efecte tèrmic-òptic, efecte piezoelèctric o efecte de dispersió d'injecció de portador, té els problemes de velocitat de commutació lenta, consum d'energia i consum de calor, que no pot satisfer el ràpid. escaneig de feix i aplicacions de fotons de microones a gran escala.

El niobat de liti sempre ha estat la primera opció per a alta velocitatmodulació electro-òpticamaterials pel seu excel·lent efecte electro-òptic lineal.No obstant això, el niòbat de liti tradicionalmodulador electro-òpticestà fet de material de cristall de niobat de liti massiu i la mida del dispositiu és molt gran, que no pot satisfer les necessitats de la tecnologia de fotons de microones integrada.Com integrar materials de niobat de liti amb coeficient electro-òptic lineal en el sistema integrat de tecnologia de fotons de microones s'ha convertit en l'objectiu dels investigadors rellevants.El 2018, un equip d'investigació de la Universitat de Harvard als Estats Units va informar per primera vegada de la tecnologia d'integració fotònica basada en niobat de liti de pel·lícula fina a Nature, perquè la tecnologia té els avantatges d'una alta integració, una gran amplada de banda de modulació electro-òptica i una alta linealitat de l'electro. -efecte òptic, un cop llançat, va provocar 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 de fotons basada en el niobat de liti de pel·lícula fina en el desenvolupament de la tecnologia de fotons de microones.

Material de niòbat 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 "tallat d'ions" i s'uneix a l'hòstia de Si amb una capa de tampó de sílice per forma 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 efectiva d'índex de refracció de les guies d'ones formades pot arribar a més de 0,8 (molt superior a la diferència d'índex de refracció tradicional). guies d'ones de niòbat de liti de 0,02), tal com es mostra a la figura 1. La guia d'ones fortament restringida facilita la concordança del camp de llum amb el camp de microones quan es dissenya el modulador.Per tant, és beneficiós aconseguir una tensió de mitja ona més baixa i una amplada de banda de modulació més gran en una longitud més curta.

L'aparició d'una guia d'ona submicronica de niobat de liti de baixa pèrdua trenca el coll d'ampolla de l'alta tensió de conducció del modulador electroòptic tradicional de niobat de liti.L'espaiat dels elèctrodes es pot reduir a ~ 5 μm, i la superposició entre el camp elèctric i el camp de mode òptic augmenta molt, i el vπ · L disminueix de més de 20 V · cm a menys de 2,8 V · cm.Per tant, sota la mateixa tensió de mitja ona, la longitud del dispositiu es pot reduir molt 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, tal com es mostra a la figura, el modulador pot tenir la capacitat d'ample de banda de modulació ultra alta superior a 100 GHz.

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

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

La comparació de moduladors de niobat de liti de pel·lícula prima amb moduladors comercials tradicionals de niobat de liti, moduladors basats en silici i 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 volta de mitja ona (vπ · L, V · cm), mesurant l'eficiència de modulació del modulador, com més petit sigui el valor, major 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, la tensió 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 propicia la integració a gran escala de dispositius actius/passius i el seu modulador s'ha estudiat àmpliament i profundament en el camp de l'òptica. comunicació.El mecanisme de modulació electro-òptica del silici és principalment l'esgotament del portador, la injecció del portador i l'acumulació del portador.Entre ells, l'ample de banda del modulador és òptim amb el mecanisme d'esgotament de la portadora de grau lineal, però com que la distribució del camp òptic se solapa amb la no uniformitat de la regió d'esgotament, aquest efecte introduirà una distorsió no lineal de segon ordre i una distorsió d'intermodulació de tercer ordre. termes, juntament amb l'efecte d'absorció del portador sobre la llum, que comportarà la reducció de l'amplitud de la modulació òptica i la distorsió del senyal.

El modulador InP té efectes electro-òptics excepcionals i l'estructura de pou quàntic multicapa pot realitzar moduladors de tensió de conducció de velocitat ultra alta i baixa amb Vπ·L 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 destacat.Per tant, els moduladors electro-òptics de silici i InP han d'aplicar biaix per formar una unió pn quan funcionen, i la unió pn portarà a la llum la pèrdua d'absorció.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 de curta distància com ara centres de dades.L'efecte electro-òptic del niobat de liti no té cap mecanisme d'absorció de llum i baixa pèrdua, que és adequat per a coherents a llarga distància.comunicació òpticaamb gran capacitat i alt ritme.En l'aplicació de fotons de microones, els coeficients electro-òptics de Si i InP són no lineals, cosa que no és adequat 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 electro-òptica completament lineal.