Bahan litium niobate filem nipis dan modulator litium niobate filem nipis

Kelebihan dan kepentingan litium niobate filem nipis dalam teknologi foton gelombang mikro bersepadu

Teknologi foton gelombang mikromempunyai kelebihan lebar jalur kerja yang besar, keupayaan pemprosesan selari yang kuat dan kehilangan penghantaran yang rendah, yang berpotensi untuk memecahkan kesesakan teknikal sistem gelombang mikro tradisional dan meningkatkan prestasi peralatan maklumat elektronik ketenteraan seperti radar, peperangan elektronik, komunikasi dan pengukuran dan kawalan. Walau bagaimanapun, sistem foton gelombang mikro berdasarkan peranti diskret mempunyai beberapa masalah seperti volum besar, berat berat dan kestabilan yang lemah, yang secara serius menyekat penggunaan teknologi foton gelombang mikro dalam platform bawaan angkasa dan udara. Oleh itu, teknologi foton gelombang mikro bersepadu menjadi sokongan penting untuk memecahkan aplikasi foton gelombang mikro dalam sistem maklumat elektronik ketenteraan dan memberikan permainan sepenuhnya kepada kelebihan teknologi foton gelombang mikro.

Pada masa ini, teknologi integrasi fotonik berasaskan SI dan teknologi integrasi fotonik berasaskan INP telah menjadi lebih dan lebih matang selepas bertahun-tahun pembangunan dalam bidang komunikasi optik, dan banyak produk telah dimasukkan ke dalam pasaran. Walau bagaimanapun, untuk aplikasi foton gelombang mikro, terdapat beberapa masalah dalam kedua-dua jenis teknologi penyepaduan foton ini: contohnya, pekali elektro-optik tak linear bagi modulator Si dan modulator InP adalah bertentangan dengan kelinearan tinggi dan ciri dinamik besar yang dijalankan oleh teknologi foton gelombang mikro; Sebagai contoh, suis optik silikon yang merealisasikan penukaran laluan optik, sama ada berdasarkan kesan termal-optik, kesan piezoelektrik, atau kesan penyebaran suntikan pembawa, mempunyai masalah kelajuan pensuisan perlahan, penggunaan kuasa dan penggunaan haba, yang tidak dapat memenuhi pengimbasan rasuk pantas dan aplikasi foton gelombang mikro skala besar.

Litium niobate sentiasa menjadi pilihan pertama untuk kelajuan tinggimodulasi elektro-optikbahan kerana kesan elektro-optik linear yang sangat baik. Walau bagaimanapun, litium niobate tradisionalmodulator elektro-optikdiperbuat daripada bahan kristal litium niobate yang besar, dan saiz perantinya sangat besar, yang tidak dapat memenuhi keperluan teknologi foton gelombang mikro bersepadu. Bagaimana untuk mengintegrasikan bahan litium niobate dengan pekali elektro-optik linear ke dalam sistem teknologi foton gelombang mikro bersepadu telah menjadi matlamat penyelidik yang berkaitan. Pada tahun 2018, pasukan penyelidik dari Universiti Harvard di Amerika Syarikat pertama kali melaporkan teknologi integrasi fotonik berdasarkan litium niobate filem nipis di Alam, kerana teknologi itu mempunyai kelebihan integrasi tinggi, lebar jalur modulasi elektro-optik yang besar, dan kesan elektro-optik yang linear yang tinggi, sebaik sahaja dilancarkan, ia serta-merta menyebabkan perhatian akademik dan industri dalam bidang integrasi fotonik dan gelombang mikro. Dari perspektif aplikasi foton gelombang mikro, kertas kerja ini meninjau pengaruh dan kepentingan teknologi penyepaduan foton berasaskan litium niobate filem nipis terhadap pembangunan teknologi foton gelombang mikro.

Bahan litium niobate filem nipis dan filem nipismodulator litium niobate
Dalam dua tahun kebelakangan ini, jenis bahan litium niobate baru telah muncul, iaitu filem litium niobate dieksfoliasi daripada kristal litium niobate besar-besaran dengan kaedah "penghirisan ion" dan diikat pada wafer Si dengan lapisan penampan silika untuk membentuk bahan LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], yang dipanggil bahan nipis niobate dalam filem litium ini. Pandu gelombang rabung dengan ketinggian lebih daripada 100 nanometer boleh terukir pada bahan litium niobate filem nipis dengan proses goresan kering yang dioptimumkan, dan perbezaan indeks biasan berkesan daripada pandu gelombang yang terbentuk boleh mencapai lebih daripada 0.8 (jauh lebih tinggi daripada perbezaan indeks biasan pandu gelombang lithium niobate tradisional 0.02), seperti yang ditunjukkan padanan gelombang kuat 0.02 dengan kuat. medan cahaya dengan medan gelombang mikro semasa mereka bentuk modulator. Oleh itu, adalah berfaedah untuk mencapai voltan separuh gelombang yang lebih rendah dan lebar jalur modulasi yang lebih besar dalam panjang yang lebih pendek.

Penampilan pandu gelombang submikron litium niobate kehilangan rendah memecahkan kesesakan voltan pemanduan tinggi modulator elektro-optik litium niobate tradisional. Jarak elektrod boleh dikurangkan kepada ~ 5 μm, dan pertindihan antara medan elektrik dan medan mod optik meningkat dengan banyak, dan vπ ·L berkurangan daripada lebih daripada 20 V·cm kepada kurang daripada 2.8 V·cm. Oleh itu, di bawah voltan separuh gelombang yang sama, panjang peranti boleh dikurangkan dengan banyak berbanding dengan modulator tradisional. Pada masa yang sama, selepas mengoptimumkan parameter lebar, ketebalan dan selang elektrod gelombang perjalanan, seperti yang ditunjukkan dalam rajah, modulator boleh mempunyai keupayaan lebar jalur modulasi ultra tinggi lebih daripada 100 GHz.

Rajah.1 （a） taburan mod terkira dan （b） imej keratan rentas pandu gelombang LN

Rajah.2 （a） Struktur pandu gelombang dan elektrod dan （b） plat teras modulator LN

Perbandingan modulator litium niobate filem nipis dengan modulator komersial litium niobate tradisional, modulator berasaskan silikon dan modulator indium phosphide (InP) dan modulator elektro-optik berkelajuan tinggi sedia ada yang lain, parameter utama perbandingan termasuk:
(1) Produk panjang volt separuh gelombang (vπ ·L, V·cm), mengukur kecekapan modulasi modulator, semakin kecil nilainya, semakin tinggi kecekapan modulasi;
(2) Jalur lebar modulasi 3 dB (GHz), yang mengukur tindak balas modulator kepada modulasi frekuensi tinggi;
(3) Kehilangan sisipan optik (dB) dalam kawasan modulasi. Ia boleh dilihat dari jadual bahawa modulator litium niobate filem nipis mempunyai kelebihan yang jelas dalam lebar jalur modulasi, voltan separuh gelombang, kehilangan interpolasi optik dan sebagainya.

Silikon, sebagai asas optoelektronik bersepadu, telah dibangunkan setakat ini, prosesnya matang, pengecilannya adalah kondusif kepada penyepaduan besar-besaran peranti aktif/pasif, dan modulatornya telah dikaji secara meluas dan mendalam dalam bidang komunikasi optik. Mekanisme modulasi elektro-optik silikon adalah terutamanya penyusutan pembawa, suntikan pembawa dan pengumpulan pembawa. Antaranya, lebar jalur modulator adalah optimum dengan mekanisme pengurangan pembawa darjah linear, tetapi kerana pengagihan medan optik bertindih dengan ketidakseragaman kawasan penyusutan, kesan ini akan memperkenalkan herotan tertib kedua tak linear dan terma herotan intermodulasi tertib ketiga, ditambah pula dengan kesan penyerapan pembawa pada cahaya, yang akan membawa kepada pengurangan penyelewengan isyarat optik dan modulasi.

Modulator InP mempunyai kesan elektro-optik yang luar biasa, dan struktur telaga kuantum berbilang lapisan boleh merealisasikan modulator voltan pemacu kadar ultra tinggi dan rendah dengan Vπ·L sehingga 0.156V · mm. Walau bagaimanapun, variasi indeks biasan dengan medan elektrik termasuk sebutan linear dan tak linear, dan peningkatan intensiti medan elektrik akan menjadikan kesan tertib kedua menonjol. Oleh itu, modulator elektro-optik silikon dan InP perlu menggunakan pincang untuk membentuk persimpangan pn apabila ia berfungsi, dan persimpangan pn akan membawa kehilangan penyerapan kepada cahaya. Walau bagaimanapun, saiz modulator kedua-dua ini adalah kecil, saiz modulator InP komersial ialah 1/4 daripada modulator LN. Kecekapan modulasi yang tinggi, sesuai untuk rangkaian penghantaran optik digital ketumpatan tinggi dan jarak dekat seperti pusat data. Kesan elektro-optik litium niobate tidak mempunyai mekanisme penyerapan cahaya dan kehilangan rendah, yang sesuai untuk koheren jarak jauhkomunikasi optikdengan kapasiti yang besar dan kadar yang tinggi. Dalam aplikasi foton gelombang mikro, pekali elektro-optik Si dan InP adalah tak linear, yang tidak sesuai untuk sistem foton gelombang mikro yang mengejar kelinearan tinggi dan dinamik yang besar. Bahan litium niobate sangat sesuai untuk aplikasi foton gelombang mikro kerana pekali modulasi elektro-optik linear sepenuhnya.