Bahan niobate litium filem nipis dan modulator niobate litium 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 berasaskan peranti diskret mempunyai beberapa masalah seperti isipadu yang besar, berat yang berat dan kestabilan yang lemah, yang menyekat aplikasi teknologi foton gelombang mikro dalam platform angkasa lepas dan udara. Oleh itu, teknologi foton gelombang mikro bersepadu menjadi sokongan penting untuk memecahkan aplikasi foton gelombang mikro dalam sistem maklumat elektronik ketenteraan dan memberi manfaat sepenuhnya kepada kelebihan teknologi foton gelombang mikro.

Pada masa ini, teknologi integrasi fotonik berasaskan SI dan teknologi integrasi fotonik berasaskan INP telah menjadi semakin 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 dua jenis teknologi integrasi foton ini: contohnya, pekali elektro-optik tak linear bagi modulator Si dan modulator InP adalah bertentangan dengan kelinearan tinggi dan ciri dinamik besar yang dikejar oleh teknologi foton gelombang mikro; Contohnya, suis optik silikon yang merealisasikan pensuisan laluan optik, sama ada berdasarkan kesan terma-optik, kesan piezoelektrik, atau kesan penyebaran suntikan pembawa, mempunyai masalah kelajuan pensuisan yang perlahan, penggunaan kuasa dan penggunaan haba, yang tidak dapat memenuhi aplikasi pengimbasan pancaran pantas dan foton gelombang mikro skala besar.

Litium niobate sentiasa menjadi pilihan pertama untuk kelajuan tinggimodulasi elektro-optikbahan kerana kesan elektro-optik linearnya yang sangat baik. Walau bagaimanapun, niobate litium 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. Cara 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, satu pasukan penyelidikan dari Universiti Harvard di Amerika Syarikat pertama kali melaporkan teknologi integrasi fotonik berdasarkan litium niobate filem nipis dalam Nature, kerana teknologi ini mempunyai kelebihan integrasi yang tinggi, lebar jalur modulasi elektro-optik yang besar, dan kelinearan kesan elektro-optik yang tinggi, sebaik sahaja dilancarkan, ia segera menarik perhatian akademik dan perindustrian dalam bidang integrasi fotonik dan fotonik gelombang mikro. Dari perspektif aplikasi foton gelombang mikro, kertas kerja ini mengulas pengaruh dan kepentingan teknologi integrasi foton berdasarkan litium niobate filem nipis terhadap perkembangan teknologi foton gelombang mikro.

Bahan niobate litium filem nipis dan filem nipismodulator litium niobate
Dalam dua tahun kebelakangan ini, sejenis bahan niobate litium baharu telah muncul, iaitu filem niobate litium dieksfoliasi daripada kristal niobate litium yang besar melalui kaedah "penghirisan ion" dan diikat pada wafer Si dengan lapisan penimbal silika untuk membentuk bahan LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], yang dipanggil bahan niobate litium filem nipis dalam kertas kerja ini. Pandu gelombang rabung dengan ketinggian lebih daripada 100 nanometer boleh diukir pada bahan niobate litium filem nipis melalui proses pengukiran kering yang dioptimumkan, dan perbezaan indeks biasan berkesan pandu gelombang yang terbentuk boleh mencapai lebih daripada 0.8 (jauh lebih tinggi daripada perbezaan indeks biasan pandu gelombang niobate litium tradisional iaitu 0.02), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Pandu gelombang yang sangat terhad memudahkan pemadanan medan cahaya dengan medan gelombang mikro semasa mereka bentuk modulator. Oleh itu, adalah bermanfaat untuk mencapai voltan separuh gelombang yang lebih rendah dan lebar jalur modulasi yang lebih besar dalam panjang yang lebih pendek.

Kemunculan pandu gelombang submikron litium niobate kehilangan rendah memecahkan kesesakan voltan pemacu 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 ketara, 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 ketara berbanding modulator tradisional. Pada masa yang sama, selepas mengoptimumkan parameter lebar, ketebalan dan selang elektrod gelombang bergerak, seperti yang ditunjukkan dalam rajah, modulator boleh mempunyai keupayaan lebar jalur modulasi ultra tinggi lebih besar daripada 100 GHz.

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

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

Perbandingan modulator litium niobate filem nipis dengan modulator komersial litium niobate tradisional, modulator berasaskan silikon dan modulator indium fosfida (InP) serta modulator elektro-optik berkelajuan tinggi sedia ada yang lain, parameter utama perbandingan termasuk:
(1) Hasil darab panjang voltan separuh gelombang (vπ ·L, V·cm), mengukur kecekapan modulasi modulator, semakin kecil nilainya, semakin tinggi kecekapan modulasi;
(2) Lebar jalur modulasi 3 dB (GHz), yang mengukur tindak balas modulator terhadap modulasi frekuensi tinggi;
(3) Kehilangan sisipan optik (dB) dalam kawasan modulasi. Dapat dilihat daripada 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 kondusif untuk penyepaduan berskala besar peranti aktif/pasif, dan modulatornya telah dikaji secara meluas dan mendalam dalam bidang komunikasi optik. Mekanisme modulasi elektro-optik silikon terutamanya penyusutan pembawa, suntikan pembawa dan pengumpulan pembawa. Antaranya, lebar jalur modulator adalah optimum dengan mekanisme penyusutan pembawa darjah linear, tetapi kerana taburan medan optik bertindih dengan ketidakseragaman kawasan penyusutan, kesan ini akan memperkenalkan istilah herotan tertib kedua tak linear dan herotan intermodulasi tertib ketiga, digabungkan dengan kesan penyerapan pembawa pada cahaya, yang akan membawa kepada pengurangan amplitud modulasi optik dan herotan isyarat.

Modulator InP mempunyai kesan elektro-optik yang luar biasa, dan struktur telaga kuantum berbilang lapisan boleh merealisasikan modulator kadar ultra tinggi dan voltan pemacu rendah dengan Vπ·L sehingga 0.156V · mm. Walau bagaimanapun, variasi indeks biasan dengan medan elektrik merangkumi istilah linear dan tak linear, dan peningkatan keamatan medan elektrik akan menjadikan kesan tertib kedua menonjol. Oleh itu, modulator elektro-optik silikon dan InP perlu menggunakan bias untuk membentuk simpang pn apabila ia berfungsi, dan simpang pn akan membawa kehilangan penyerapan kepada cahaya. Walau bagaimanapun, saiz modulator kedua-duanya 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 pendek seperti pusat data. Kesan elektro-optik litium niobate tidak mempunyai mekanisme penyerapan cahaya dan kehilangan yang rendah, yang sesuai untuk jarak jauh koheren.komunikasi optikdengan kapasiti 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 besar. Bahan niobate litium sangat sesuai untuk aplikasi foton gelombang mikro kerana pekali modulasi elektro-optiknya yang linear sepenuhnya.