Foardielen en betsjutting fan tinne film lithium niobate yn yntegreare mikrogolffotontechnology
Mikrogolffotontechnologyhat de foardielen fan grutte wurkbânbreedte, sterke parallelle ferwurkingsmooglikheden en leech oerdrachtferlies, wat de potinsje hat om de technyske knelpunt fan tradisjonele mikrogolfsystemen te brekken en de prestaasjes fan militêre elektroanyske ynformaasjeapparatuer lykas radar, elektroanyske oarlochsfiering, kommunikaasje en mjitting en kontrôle te ferbetterjen. It mikrogolffotonsysteem basearre op aparte apparaten hat lykwols wat problemen lykas grut folume, swier gewicht en minne stabiliteit, dy't de tapassing fan mikrogolffotontechnology yn romte- en loftplatfoarms serieus beheine. Dêrom wurdt yntegreare mikrogolffotontechnology in wichtige stipe om de tapassing fan mikrogolffoton yn militêre elektroanyske ynformaasjesystemen te brekken en de foardielen fan mikrogolffotontechnology folslein te benutten.
Op it stuit binne SI-basearre fotonyske yntegraasjetechnology en INP-basearre fotonyske yntegraasjetechnology hieltyd folwoeksener wurden nei jierren fan ûntwikkeling op it mêd fan optyske kommunikaasje, en in protte produkten binne op 'e merk brocht. Foar de tapassing fan mikrogolffoton binne d'r lykwols wat problemen yn dizze twa soarten fotonyntegraasjetechnologyen: bygelyks, de net-lineare elektro-optyske koëffisjint fan Si-modulator en InP-modulator is yn striid mei de hege lineariteit en grutte dynamyske skaaimerken dy't neistribbe wurde troch mikrogolffotontechnology; Bygelyks, de silisium optyske skeakel dy't optyske paadwikseling realisearret, oft basearre op termysk-optysk effekt, piezoelektrysk effekt, of dragerynjeksjedispersjeeffekt, hat de problemen fan stadige skeakelsnelheid, enerzjyferbrûk en waarmteferbrûk, dy't net kinne foldwaan oan 'e snelle strielscanning en grutte array-skaal mikrogolffoton-tapassingen.
Lithium niobate is altyd de earste kar west foar hege snelheidelektro-optyske modulaasjematerialen fanwegen syn poerbêste lineêre elektro-optyske effekt. De tradisjonele lithium niobate is lykwolselektro-optyske modulatoris makke fan massyf lithium niobaatkristalmateriaal, en de grutte fan it apparaat is tige grut, wat net foldocht oan 'e behoeften fan yntegreare mikrogolffotontechnology. Hoe't lithium niobaatmaterialen mei lineêre elektro-optyske koëffisjint yn it yntegreare mikrogolffotontechnologysysteem yntegrearre wurde kinne, is it doel wurden fan relevante ûndersikers. Yn 2018 rapportearre in ûndersyksteam fan 'e Harvard University yn 'e Feriene Steaten foar it earst de fotonyske yntegraasjetechnology basearre op tinne-film lithium niobaat yn Nature, om't de technology de foardielen hat fan hege yntegraasje, grutte elektro-optyske modulaasjebânbreedte, en hege lineariteit fan elektro-optysk effekt, en ienris lansearre, feroarsake it fuortendaliks de akademyske en yndustriële oandacht op it mêd fan fotonyske yntegraasje en mikrogolffotonika. Fanút it perspektyf fan mikrogolffoton-tapassing besjocht dit artikel de ynfloed en betsjutting fan fotonyntegraasjetechnology basearre op tinne-film lithium niobaat op 'e ûntwikkeling fan mikrogolffotontechnology.
Tinne film lithium niobaat materiaal en tinne filmlitium niobaat modulator
Yn 'e lêste twa jier is in nij type lithium niobaatmateriaal ûntstien, dat wol sizze, de lithium niobaatfilm wurdt fan it massive lithium niobaatkristal ôfskaft troch de metoade fan "ion slicing" en mei in silikabufferlaach oan 'e Si-wafer ferbûn om LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiaal te foarmjen [5], dat yn dit artikel tinne film lithium niobaatmateriaal neamd wurdt. Ridge-golflieders mei in hichte fan mear as 100 nanometer kinne op tinne film lithium niobaatmaterialen etst wurde troch in optimalisearre droech etsproses, en it effektive ferskil yn brekingsyndeks fan 'e foarme golflieders kin mear as 0,8 berikke (folle heger as it ferskil yn brekingsyndeks fan tradisjonele lithium niobaat-golflieders fan 0,02), lykas te sjen is yn figuer 1. De sterk beheinde golflieder makket it makliker om it ljochtfjild te passen by it mikrogolffjild by it ûntwerpen fan 'e modulator. Dêrom is it foardielich om in legere healgolfspanning en in gruttere modulaasjebânbreedte te berikken yn in koartere lingte.
It ferskinen fan in submikron-golflieder mei leech ferlies fan lithium niobaat ûnderbrekt de knelpunt fan 'e hege oandriuwspanning fan 'e tradisjonele elektro-optyske modulator fan lithium niobaat. De ôfstân tusken de elektroden kin wurde fermindere nei ~ 5 μm, en de oerlaap tusken it elektryske fjild en it optyske modusfjild wurdt sterk fergrutte, en de vπ ·L nimt ôf fan mear as 20 V·cm nei minder as 2,8 V·cm. Dêrom kin ûnder deselde healgolfspanning de lingte fan it apparaat sterk wurde fermindere yn ferliking mei de tradisjonele modulator. Tagelyk, nei it optimalisearjen fan 'e parameters fan' e breedte, dikte en ynterval fan 'e reizgjende golfelektrode, lykas werjûn yn' e ôfbylding, kin de modulator de mooglikheid hawwe fan ultrahege modulaasjebânbreedte grutter as 100 GHz.
Fig. 1 (a) berekkene modusferdieling en (b) ôfbylding fan 'e dwersdoorsnede fan LN-golflieder
Fig.2 (a) Wellelieder- en elektrodestruktuer en (b) kearnplaat fan LN-modulator
De ferliking fan tinne-film lithium niobaatmodulatoren mei tradisjonele kommersjele lithium niobaatmodulatoren, silisium-basearre modulatoren en indiumfosfide (InP) modulatoren en oare besteande hege-snelheid elektro-optyske modulatoren, de wichtichste parameters fan 'e ferliking omfetsje:
(1) Healgolf volt-lingte produkt (vπ ·L, V·cm), mjitten fan 'e modulaasje-effisjinsje fan' e modulator, hoe lytser de wearde, hoe heger de modulaasje-effisjinsje;
(2) 3 dB modulaasjebânbreedte (GHz), dy't de reaksje fan 'e modulator op hege-frekwinsjemodulaasje mjit;
(3) Optysk ynfoegingsferlies (dB) yn it modulaasjegebiet. Ut 'e tabel kin sjoen wurde dat de tinne-film lithium niobaatmodulator dúdlike foardielen hat yn modulaasjebânbreedte, healgolfspanning, optysk ynterpolaasjeferlies ensafuorthinne.
Silisium, as de hoekstien fan yntegreare opto-elektroanika, is oant no ta ûntwikkele, it proses is folwoeksen, syn miniaturisaasje is geunstich foar de grutskalige yntegraasje fan aktive/passive apparaten, en syn modulator is breed en djip bestudearre op it mêd fan optyske kommunikaasje. It elektro-optyske modulaasjemeganisme fan silisium is benammen dragerfermindering, dragerinjeksje en dragerakkumulaasje. Dêrûnder is de bânbreedte fan 'e modulator optimaal mei it lineêre graaddragerferminderingsmeganisme, mar om't de optyske fjildferdieling oerlapt mei de net-uniformiteit fan it ferminderingsgebiet, sil dit effekt net-lineare twadde-oarder ferfoarming en tredde-oarder yntermodulaasjeferfoarmingstermen yntrodusearje, keppele oan it absorpsje-effekt fan 'e drager op it ljocht, wat sil liede ta de fermindering fan 'e optyske modulaasjeamplitude en sinjaalferfoarming.
De InP-modulator hat treflike elektro-optyske effekten, en de mearlaachse kwantumputstruktuer kin ultra-hege taryf en lege oandriuwspanningsmodulatoren realisearje mei Vπ·L oant 0.156V·mm. De fariaasje fan brekkingsyndeks mei elektrysk fjild omfettet lykwols lineêre en net-lineêre termen, en de tanimming fan 'e elektryske fjildintensiteit sil it twadde-oarder-effekt prominent meitsje. Dêrom moatte silisium- en InP-elektro-optyske modulatoren bias tapasse om in pn-oergong te foarmjen as se wurkje, en pn-oergong sil absorpsjeferlies oan ljocht bringe. De modulatorgrutte fan dizze twa is lykwols lyts, de kommersjele InP-modulatorgrutte is 1/4 fan 'e LN-modulator. Hege modulaasje-effisjinsje, geskikt foar hege tichtens en koarte ôfstân digitale optyske transmissienetwurken lykas datasintra. It elektro-optyske effekt fan lithium niobaat hat gjin ljochtabsorpsjemeganisme en leech ferlies, wat geskikt is foar koherint op lange ôfstân.optyske kommunikaasjemei grutte kapasiteit en hege taryf. Yn 'e mikrogolffoton-tapassing binne de elektro-optyske koëffisiënten fan Si en InP net-lineêr, wat net geskikt is foar it mikrogolffoton-systeem dat hege lineariteit en grutte dynamyk neistribbet. It lithium niobaatmateriaal is tige geskikt foar mikrogolffoton-tapassing fanwegen syn folslein lineêre elektro-optyske modulaasjekoëffisiënt.
Pleatsingstiid: 22 april 2024