Bahan lithium niobate film tipis dan modulator lithium niobate film tipis

Keuntungan dan pentingnya lithium niobate film tipis dalam teknologi foton gelombang mikro terintegrasi

Teknologi foton gelombang mikromemiliki keunggulan bandwidth kerja yang besar, kemampuan pemrosesan paralel yang kuat, dan kehilangan transmisi yang rendah, yang berpotensi memecahkan hambatan teknis sistem gelombang mikro tradisional dan meningkatkan kinerja peralatan informasi elektronik militer seperti radar, peperangan elektronik, komunikasi dan pengukuran dan kontrol. Namun, sistem foton gelombang mikro yang didasarkan pada perangkat terpisah memiliki beberapa masalah seperti volume yang besar, bobot yang berat, dan stabilitas yang buruk, yang secara serius membatasi penerapan teknologi foton gelombang mikro pada platform luar angkasa dan udara. Oleh karena itu, teknologi foton gelombang mikro terintegrasi menjadi pendukung penting untuk menghentikan penerapan foton gelombang mikro dalam sistem informasi elektronik militer dan memanfaatkan sepenuhnya keunggulan teknologi foton gelombang mikro.

Saat ini, teknologi integrasi fotonik berbasis SI dan teknologi integrasi fotonik berbasis INP semakin matang setelah bertahun-tahun dikembangkan di bidang komunikasi optik, dan banyak produk yang dipasarkan. Namun, untuk penerapan foton gelombang mikro, terdapat beberapa masalah dalam kedua jenis teknologi integrasi foton ini: misalnya, koefisien elektro-optik nonlinier dari modulator Si dan modulator InP bertentangan dengan linearitas tinggi dan karakteristik dinamis besar yang dimiliki oleh gelombang mikro. teknologi foton; Misalnya, saklar optik silikon yang mewujudkan peralihan jalur optik, baik berdasarkan efek termal-optik, efek piezoelektrik, atau efek dispersi injeksi pembawa, memiliki masalah kecepatan peralihan yang lambat, konsumsi daya dan konsumsi panas, yang tidak dapat memenuhi kecepatan peralihan yang cepat. pemindaian sinar dan aplikasi foton gelombang mikro skala besar.

Lithium niobate selalu menjadi pilihan pertama untuk kecepatan tinggimodulasi elektro-optikbahan karena efek elektro-optik liniernya yang sangat baik. Namun, lithium niobate tradisionalmodulator elektro-optikterbuat dari bahan kristal lithium niobate yang sangat besar, dan ukuran perangkatnya sangat besar, yang tidak dapat memenuhi kebutuhan teknologi foton gelombang mikro terintegrasi. Bagaimana mengintegrasikan bahan lithium niobate dengan koefisien elektro-optik linier ke dalam sistem teknologi foton gelombang mikro terintegrasi telah menjadi tujuan para peneliti terkait. Pada tahun 2018, tim peneliti dari Universitas Harvard di Amerika Serikat pertama kali melaporkan teknologi integrasi fotonik berbasis film tipis lithium niobate di Nature, karena teknologi tersebut memiliki keunggulan integrasi tinggi, bandwidth modulasi elektro-optik yang besar, dan linearitas elektro yang tinggi. -efek optik, begitu diluncurkan, segera menimbulkan perhatian akademis dan industri di bidang integrasi fotonik dan fotonik gelombang mikro. Dari perspektif penerapan foton gelombang mikro, makalah ini mengulas pengaruh dan signifikansi teknologi integrasi foton berbasis film tipis lithium niobate terhadap perkembangan teknologi foton gelombang mikro.

Bahan lithium niobate film tipis dan film tipismodulator litium niobate
Dalam dua tahun terakhir, jenis bahan litium niobate baru telah muncul, yaitu film litium niobate dikelupas dari kristal litium niobate masif dengan metode “pengirisan ion” dan diikat ke wafer Si dengan lapisan penyangga silika untuk membentuk bahan LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], yang dalam tulisan ini disebut bahan lithium niobate film tipis. Pandu gelombang punggungan dengan ketinggian lebih dari 100 nanometer dapat digores pada bahan litium niobate film tipis dengan proses etsa kering yang dioptimalkan, dan perbedaan indeks bias efektif dari pandu gelombang yang terbentuk dapat mencapai lebih dari 0,8 (jauh lebih tinggi daripada perbedaan indeks bias tradisional pandu gelombang litium niobate 0,02), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pandu gelombang yang sangat terbatas memudahkan untuk mencocokkan medan cahaya dengan medan gelombang mikro saat merancang modulator. Oleh karena itu, akan bermanfaat untuk mencapai tegangan setengah gelombang yang lebih rendah dan bandwidth modulasi yang lebih besar dalam jangka waktu yang lebih pendek.

Munculnya pandu gelombang submikron lithium niobate dengan kerugian rendah memecahkan hambatan tegangan penggerak tinggi dari modulator elektro-optik lithium niobate tradisional. Jarak elektroda dapat dikurangi hingga ~ 5 μm, dan tumpang tindih antara medan listrik dan bidang mode optik sangat meningkat, dan vπ ·L berkurang dari lebih dari 20 V·cm menjadi kurang dari 2,8 V·cm. Oleh karena itu, di bawah tegangan setengah gelombang yang sama, panjang perangkat dapat dikurangi secara signifikan dibandingkan dengan modulator tradisional. Pada saat yang sama, setelah mengoptimalkan parameter lebar, ketebalan dan interval elektroda gelombang berjalan, seperti yang ditunjukkan pada gambar, modulator dapat memiliki kemampuan bandwidth modulasi ultra-tinggi lebih besar dari 100 GHz.

Gbr.1 （a） distribusi mode terhitung dan （b） gambar penampang pandu gelombang LN

Gbr.2 （a） Pandu gelombang dan struktur elektroda serta （b） pelat inti modulator LN

Perbandingan modulator litium niobate film tipis dengan modulator komersial litium niobate tradisional, modulator berbasis silikon dan modulator indium fosfida (InP) serta modulator elektro-optik berkecepatan tinggi lainnya, parameter utama perbandingannya meliputi:
(1) Produk panjang volt setengah gelombang (vπ ·L, V·cm), mengukur efisiensi modulasi modulator, semakin kecil nilainya, semakin tinggi efisiensi modulasi;
(2) Bandwidth modulasi 3 dB (GHz), yang mengukur respons modulator terhadap modulasi frekuensi tinggi;
(3) Kehilangan penyisipan optik (dB) di wilayah modulasi. Dapat dilihat dari tabel bahwa modulator lithium niobate film tipis memiliki keunggulan yang jelas dalam bandwidth modulasi, tegangan setengah gelombang, kehilangan interpolasi optik, dan sebagainya.

Silikon, sebagai landasan optoelektronik terintegrasi, telah dikembangkan sejauh ini, prosesnya sudah matang, miniaturisasinya kondusif untuk integrasi perangkat aktif/pasif skala besar, dan modulatornya telah dipelajari secara luas dan mendalam di bidang optik. komunikasi. Mekanisme modulasi elektro-optik silikon terutama adalah penipisan pembawa, injeksi pembawa, dan akumulasi pembawa. Diantaranya, bandwidth modulator optimal dengan mekanisme penipisan pembawa derajat linier, namun karena distribusi medan optik tumpang tindih dengan ketidakseragaman wilayah penipisan, efek ini akan menimbulkan distorsi orde kedua nonlinier dan distorsi intermodulasi orde ketiga. istilah, ditambah dengan efek penyerapan pembawa pada cahaya, yang akan menyebabkan pengurangan amplitudo modulasi optik dan distorsi sinyal.

Modulator InP memiliki efek elektro-optik yang luar biasa, dan struktur sumur kuantum multi-lapisan dapat mewujudkan modulator tegangan penggerak berkecepatan sangat tinggi dan rendah dengan Vπ·L hingga 0,156V · mm. Namun variasi indeks bias dengan medan listrik mencakup suku linier dan nonlinier, dan peningkatan intensitas medan listrik akan membuat efek orde kedua menonjol. Oleh karena itu, modulator elektro-optik silikon dan InP perlu menerapkan bias untuk membentuk sambungan pn saat bekerja, dan sambungan pn akan menyebabkan hilangnya penyerapan cahaya. Namun ukuran modulator keduanya kecil, ukuran modulator InP komersial adalah 1/4 dari modulator LN. Efisiensi modulasi tinggi, cocok untuk jaringan transmisi optik digital kepadatan tinggi dan jarak pendek seperti pusat data. Efek elektro-optik lithium niobate tidak memiliki mekanisme penyerapan cahaya dan kehilangan rendah, yang cocok untuk koheren jarak jauhkomunikasi optikdengan kapasitas besar dan rate tinggi. Dalam aplikasi foton gelombang mikro, koefisien elektro-optik Si dan InP bersifat nonlinier, sehingga tidak cocok untuk sistem foton gelombang mikro yang memiliki linearitas tinggi dan dinamika besar. Bahan lithium niobate sangat cocok untuk aplikasi foton gelombang mikro karena koefisien modulasi elektro-optiknya yang sepenuhnya linier.