Material litium niobate film tipis dan modulator litium niobate film tipis

Keunggulan dan signifikansi film tipis litium niobate dalam teknologi foton gelombang mikro terintegrasi.

Teknologi foton gelombang mikroTeknologi foton gelombang mikro memiliki keunggulan berupa bandwidth kerja yang besar, kemampuan pemrosesan paralel yang kuat, dan kehilangan transmisi yang rendah, yang berpotensi untuk mengatasi hambatan teknis sistem gelombang mikro tradisional dan meningkatkan kinerja peralatan informasi elektronik militer seperti radar, peperangan elektronik, komunikasi, serta pengukuran dan kontrol. Namun, sistem foton gelombang mikro berbasis perangkat diskrit memiliki beberapa masalah seperti volume besar, berat, dan stabilitas yang buruk, yang secara serius membatasi penerapan teknologi foton gelombang mikro pada platform ruang angkasa dan udara. Oleh karena itu, teknologi foton gelombang mikro terintegrasi menjadi pendukung penting untuk mengatasi hambatan 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 semakin matang setelah bertahun-tahun pengembangan di bidang komunikasi optik, dan banyak produk telah dipasarkan. Namun, untuk aplikasi foton gelombang mikro, terdapat beberapa masalah pada 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 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 berkas cepat dan aplikasi foton gelombang mikro skala array besar.

Lithium niobate selalu menjadi pilihan pertama untuk kecepatan tinggi.modulasi elektro-optikbahan tersebut karena efek elektro-optik liniernya yang sangat baik. Namun, litium niobate tradisionalmodulator elektro-optikTerbuat dari material kristal litium niobate masif, dan ukuran perangkatnya sangat besar, sehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan teknologi foton gelombang mikro terintegrasi. Bagaimana mengintegrasikan material litium niobate dengan koefisien elektro-optik linier ke dalam sistem teknologi foton gelombang mikro terintegrasi telah menjadi tujuan para peneliti terkait. Pada tahun 2018, sebuah tim peneliti dari Universitas Harvard di Amerika Serikat pertama kali melaporkan teknologi integrasi fotonik berbasis film tipis litium niobate di jurnal 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 segera menarik perhatian akademis dan industri di bidang integrasi fotonik dan fotonik gelombang mikro. Dari perspektif aplikasi foton gelombang mikro, makalah ini meninjau pengaruh dan signifikansi teknologi integrasi foton berbasis film tipis litium niobate terhadap perkembangan teknologi foton gelombang mikro.

Bahan litium niobate film tipis dan film tipismodulator litium niobat
Dalam dua tahun terakhir, jenis material litium niobat baru telah muncul, yaitu, film litium niobat dieksfoliasi dari kristal litium niobat masif dengan metode “pemotongan ion” dan diikat ke wafer Si dengan lapisan penyangga silika untuk membentuk material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], yang disebut material litium niobat film tipis dalam makalah ini. Pandu gelombang punggung dengan ketinggian lebih dari 100 nanometer dapat diukir pada material 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 terbatas memudahkan pencocokan medan cahaya dengan medan gelombang mikro saat mendesain modulator. Dengan demikian, hal ini bermanfaat untuk mencapai tegangan setengah gelombang yang lebih rendah dan bandwidth modulasi yang lebih besar dalam panjang yang lebih pendek.

Munculnya pandu gelombang submikron litium niobat dengan kerugian rendah memecahkan hambatan tegangan penggerak tinggi dari modulator elektro-optik litium niobat tradisional. Jarak antar elektroda dapat dikurangi menjadi ~ 5 μm, dan tumpang tindih antara medan listrik dan medan mode optik meningkat secara signifikan, dan vπ ·L menurun 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. 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 dari 100 GHz.

Gambar 1 (a) distribusi mode yang dihitung dan (b) gambar penampang pandu gelombang LN

Gambar 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) serta modulator elektro-optik berkecepatan tinggi lainnya yang ada, parameter utama perbandingan meliputi:
(1) Hasil kali setengah gelombang volt-panjang (vπ ·L, V·cm), mengukur efisiensi modulasi modulator, semakin kecil nilainya, semakin tinggi efisiensi modulasinya;
(2) Lebar pita modulasi 3 dB (GHz), yang mengukur respons modulator terhadap modulasi frekuensi tinggi;
(3) Kerugian penyisipan optik (dB) di wilayah modulasi. Dari tabel dapat dilihat bahwa modulator litium niobate film tipis memiliki keunggulan yang jelas dalam bandwidth modulasi, tegangan setengah gelombang, kerugian interpolasi optik, dan sebagainya.

Silikon, sebagai landasan optoelektronik terintegrasi, telah dikembangkan hingga saat ini, prosesnya sudah matang, miniaturisasinya kondusif untuk integrasi skala besar perangkat aktif/pasif, dan modulatornya telah dipelajari secara luas dan mendalam di bidang komunikasi optik. Mekanisme modulasi elektro-optik silikon terutama terdiri dari penipisan pembawa, injeksi pembawa, dan akumulasi pembawa. Di antara mekanisme tersebut, bandwidth modulator optimal dengan mekanisme penipisan pembawa tingkat linier, tetapi karena distribusi medan optik tumpang tindih dengan ketidakseragaman daerah penipisan, efek ini akan menimbulkan distorsi orde kedua nonlinier dan distorsi intermodulasi orde ketiga, 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 dengan laju ultra-tinggi dan tegangan penggerak rendah dengan Vπ·L hingga 0,156V·mm. Namun, variasi indeks bias terhadap medan listrik mencakup suku linier dan nonlinier, dan peningkatan intensitas medan listrik akan membuat efek orde kedua menjadi menonjol. Oleh karena itu, modulator elektro-optik silikon dan InP perlu diberi bias untuk membentuk sambungan pn saat beroperasi, dan sambungan pn akan menyebabkan kehilangan 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 dengan kepadatan tinggi dan jarak pendek seperti pusat data. Efek elektro-optik litium niobate tidak memiliki mekanisme penyerapan cahaya dan kerugian rendah, yang cocok untuk koherensi 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 mengejar linearitas tinggi dan dinamika besar. Material litium niobat sangat cocok untuk aplikasi foton gelombang mikro karena koefisien modulasi elektro-optiknya yang sepenuhnya linier.