Keunggulan dan signifikansi lapisan tipis litium niobat dalam teknologi foton gelombang mikro terintegrasi
Teknologi foton gelombang mikroKeunggulannya meliputi bandwidth kerja yang besar, kemampuan pemrosesan paralel yang kuat, dan rugi transmisi yang rendah. Hal ini berpotensi mendobrak hambatan teknis sistem gelombang mikro tradisional dan meningkatkan kinerja peralatan informasi elektronik militer seperti radar, peperangan elektronik, komunikasi, pengukuran, dan kontrol. Namun, sistem foton gelombang mikro berbasis perangkat diskrit memiliki beberapa kendala, seperti volume yang besar, bobot yang berat, dan stabilitas yang buruk, yang secara serius membatasi penerapan teknologi foton gelombang mikro pada platform antariksa dan udara. Oleh karena itu, teknologi foton gelombang mikro terintegrasi menjadi pendukung penting untuk mendobrak penerapan foton gelombang mikro dalam sistem informasi elektronik militer dan memaksimalkan keunggulan teknologi foton gelombang mikro.
Saat ini, teknologi integrasi fotonik berbasis SI dan teknologi integrasi fotonik berbasis INP telah menjadi semakin matang setelah bertahun-tahun pengembangan di bidang komunikasi optik, dan banyak produk telah dimasukkan ke pasar. Namun, untuk aplikasi foton gelombang mikro, ada beberapa masalah dalam dua 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 dikejar oleh teknologi foton gelombang mikro; Misalnya, sakelar optik silikon yang mewujudkan pengalihan jalur optik, baik berdasarkan efek termal-optik, efek piezoelektrik, atau efek dispersi injeksi pembawa, memiliki masalah kecepatan pengalihan yang lambat, konsumsi daya dan konsumsi panas, yang tidak dapat memenuhi pemindaian sinar cepat dan aplikasi foton gelombang mikro skala array besar.
Lithium niobate selalu menjadi pilihan pertama untuk kecepatan tinggimodulasi elektro-optikbahan karena efek elektro-optik liniernya yang sangat baik. Namun, litium niobat tradisionalmodulator elektro-optikTerbuat dari bahan kristal litium niobat yang masif, dan ukuran perangkatnya sangat besar, sehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan teknologi foton gelombang mikro terintegrasi. Bagaimana mengintegrasikan bahan litium niobat dengan koefisien elektro-optik linear 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 litium niobat lapisan tipis di Nature, karena teknologi ini memiliki keunggulan integrasi tinggi, bandwidth modulasi elektro-optik yang besar, dan linearitas efek elektro-optik yang tinggi. Setelah diluncurkan, teknologi ini langsung menarik perhatian akademis dan industri di bidang integrasi fotonik dan fotonik gelombang mikro. Dari perspektif aplikasi foton gelombang mikro, makalah ini mengulas pengaruh dan signifikansi teknologi integrasi foton berbasis litium niobat lapisan tipis terhadap perkembangan teknologi foton gelombang mikro.
Bahan litium niobate film tipis dan film tipismodulator litium niobate
Dalam dua tahun terakhir, jenis baru bahan litium niobat telah muncul, yaitu, film litium niobat dikelupas dari kristal litium niobat masif dengan metode "pengirisan ion" dan diikat ke wafer Si dengan lapisan penyangga silika untuk membentuk bahan LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], yang disebut bahan litium niobat film tipis dalam makalah ini. Pandu gelombang punggungan dengan tinggi lebih dari 100 nanometer dapat dietsa pada bahan litium niobat 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 pandu gelombang litium niobat tradisional sebesar 0,02), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pandu gelombang yang sangat dibatasi membuatnya lebih mudah untuk mencocokkan medan cahaya dengan medan gelombang mikro saat merancang modulator. Dengan demikian, bermanfaat untuk mencapai tegangan setengah gelombang yang lebih rendah dan lebar pita modulasi yang lebih besar dalam panjang yang lebih pendek.
Kehadiran pandu gelombang submikron litium niobate dengan rugi-rugi rendah ini memecahkan hambatan tegangan penggerak tinggi pada modulator elektro-optik litium niobate tradisional. Jarak antar elektroda dapat dikurangi hingga ~5 μm, dan tumpang tindih antara medan listrik dan medan mode optik sangat ditingkatkan, serta vπ ·L berkurang dari lebih dari 20 V·cm menjadi kurang dari 2,8 V·cm. Oleh karena itu, pada tegangan setengah gelombang yang sama, panjang perangkat dapat dikurangi secara signifikan dibandingkan dengan modulator tradisional. Selain itu, setelah mengoptimalkan parameter lebar, tebal, dan interval elektroda gelombang berjalan, seperti yang ditunjukkan pada gambar, modulator dapat mencapai bandwidth modulasi ultra-tinggi di atas 100 GHz.
Gambar 1 (a) distribusi mode terhitung dan (b) gambar penampang pandu gelombang LN
Gbr.2 （a） Struktur pandu gelombang dan elektroda dan （b） pelat inti modulator LN
Perbandingan modulator litium niobate film tipis dengan modulator litium niobate komersial tradisional, modulator berbasis silikon dan modulator indium fosfida (InP) dan modulator elektro-optik berkecepatan tinggi lainnya yang ada, parameter utama perbandingannya meliputi:
(1) Produk panjang tegangan setengah gelombang (vπ ·L, V·cm), mengukur efisiensi modulasi modulator, semakin kecil nilainya, semakin tinggi efisiensi modulasi;
(2) Lebar pita modulasi 3 dB (GHz), yang mengukur respons modulator terhadap modulasi frekuensi tinggi;
(3) Rugi penyisipan optik (dB) di daerah modulasi. Tabel menunjukkan bahwa modulator litium niobate film tipis memiliki keunggulan yang jelas dalam hal lebar pita modulasi, tegangan setengah gelombang, rugi interpolasi optik, dan sebagainya.
Silikon, sebagai landasan optoelektronika terintegrasi, telah dikembangkan sejauh ini, prosesnya matang, miniaturisasinya kondusif untuk integrasi perangkat aktif/pasif skala besar, dan modulatornya telah dipelajari secara luas dan mendalam di bidang komunikasi optik. Mekanisme modulasi elektro-optik silikon terutama adalah deplesi pembawa, injeksi pembawa, dan akumulasi pembawa. Di antara mereka, bandwidth modulator optimal dengan mekanisme deplesi pembawa derajat linier, tetapi karena distribusi medan optik tumpang tindih dengan ketidakseragaman daerah deplesi, efek ini akan memperkenalkan distorsi orde kedua nonlinier dan distorsi intermodulasi orde ketiga, ditambah dengan efek penyerapan pembawa pada cahaya, yang akan mengarah pada pengurangan amplitudo modulasi optik dan distorsi sinyal.
Modulator InP memiliki efek elektro-optik yang luar biasa, dan struktur sumur kuantum berlapis-lapisnya dapat mewujudkan modulator dengan laju ultra-tinggi dan tegangan penggerak rendah dengan Vπ·L hingga 0,156V·mm. Namun, variasi indeks bias dengan medan listrik mencakup suku linear dan non-linear, dan peningkatan intensitas medan listrik akan membuat efek orde kedua lebih menonjol. Oleh karena itu, modulator elektro-optik silikon dan InP perlu menerapkan bias untuk membentuk sambungan p-n saat bekerja, dan sambungan p-n akan menyebabkan rugi penyerapan cahaya. Namun, ukuran modulator keduanya kecil, dengan ukuran modulator InP komersial 1/4 dari modulator LN. Efisiensi modulasinya tinggi, cocok untuk jaringan transmisi optik digital kepadatan tinggi dan jarak pendek seperti pusat data. Efek elektro-optik litium niobate tidak memiliki mekanisme penyerapan cahaya dan rugi penyerapan rendah, sehingga cocok untuk transmisi koheren jarak jauh.komunikasi optikdengan kapasitas besar dan laju tinggi. Dalam aplikasi foton gelombang mikro, koefisien elektro-optik Si dan InP bersifat nonlinier, yang tidak cocok untuk sistem foton gelombang mikro yang menuntut linearitas tinggi dan dinamika besar. Material litium niobat sangat cocok untuk aplikasi foton gelombang mikro karena koefisien modulasi elektro-optiknya yang sepenuhnya linier.
Waktu posting: 22-Apr-2024