Bahan Lithium Niobate Film Tipis dan Modulator Lithium Niobate Film Tipis

Keuntungan dan signifikansi film tipis lithium niobate dalam teknologi foton microwave terintegrasi

Teknologi foton microwaveMemiliki keuntungan dari bandwidth kerja yang besar, kemampuan pemrosesan paralel yang kuat dan kehilangan transmisi yang rendah, yang memiliki potensi untuk memecahkan hambatan teknis sistem gelombang mikro tradisional dan meningkatkan kinerja peralatan informasi elektronik militer seperti radar, perang elektronik, komunikasi dan pengukuran dan kontrol. Namun, sistem foton microwave yang didasarkan pada perangkat diskrit memiliki beberapa masalah seperti volume besar, berat berat dan stabilitas yang buruk, yang secara serius membatasi penerapan teknologi foton microwave di platform Spacerborne dan Airborne. Oleh karena itu, teknologi foton microwave terintegrasi menjadi dukungan penting untuk memecahkan aplikasi foton gelombang mikro dalam sistem informasi elektronik militer dan memberikan permainan penuh pada keuntungan teknologi foton gelombang mikro.

Saat ini, teknologi integrasi fotonik berbasis SI dan teknologi integrasi fotonik berbasis INP menjadi semakin matang setelah bertahun-tahun pengembangan di bidang komunikasi optik, dan banyak produk telah dimasukkan ke pasar. Namun, untuk penerapan foton gelombang mikro, ada beberapa masalah dalam dua jenis teknologi integrasi foton ini: misalnya, koefisien elektro-optik nonlinier 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 switching jalur optik, apakah berdasarkan efek termal-optik, efek piezoelektrik, atau efek dispersi injeksi pembawa, memiliki masalah kecepatan switching yang lambat, konsumsi daya dan konsumsi panas, yang tidak dapat memenuhi pemindaian balok cepat dan aplikasi foton microwave skala array yang besar.

Lithium niobate selalu menjadi pilihan pertama untuk kecepatan tinggimodulasi elektro-optikBahan karena efek elektro-optik linier yang sangat baik. Namun, lithium niobate tradisionalModulator elektro-optikterbuat dari bahan kristal lithium niobate yang besar, dan ukuran perangkat sangat besar, yang tidak dapat memenuhi kebutuhan teknologi foton microwave terintegrasi. Cara mengintegrasikan bahan lithium niobate dengan koefisien elektro-optik linier ke dalam sistem teknologi foton microwave terintegrasi telah menjadi tujuan peneliti yang relevan. Pada tahun 2018, sebuah tim peneliti dari Universitas Harvard di Amerika Serikat pertama kali melaporkan teknologi integrasi fotonik berdasarkan film tipis lithium niobate, karena teknologi ini memiliki keunggulan integrasi tinggi, bandwidth modulasi elektro-optik yang besar, dan linieritas integrasi elektro-optik yang tinggi, dan segera meluncurkan photon. Dari perspektif aplikasi foton microwave, makalah ini mengulas pengaruh dan signifikansi teknologi integrasi foton berdasarkan film tipis lithium niobate pada pengembangan teknologi foton microwave.

Bahan lithium niobate film tipis dan film tipisModulator lithium niobate
Dalam dua tahun terakhir, jenis baru bahan lithium niobate telah muncul, yaitu, film lithium niobate dikelupas dari kristal lithium niobate besar-besaran dengan metode "pengiris ion" dan terikat pada bahan wafer SITIum ini, yang diminta oleh lnoi (linbo3-on-in-in-in-in-in-in. Waveguides punggungan dengan ketinggian lebih dari 100 nanometer dapat dietsa pada film lithium niobate film tipis dengan proses etsa kering yang dioptimalkan, dan perbedaan indeks bias yang efektif dari pandu gelombang yang terbentuk dapat mencapai lebih dari 0,8 (jauh lebih tinggi dari pada indeks refraktif dari payung lithium niobat yang kuat dari 0,02). bidang saat merancang modulator. Dengan demikian, bermanfaat untuk mencapai tegangan setengah gelombang yang lebih rendah dan bandwidth modulasi yang lebih besar dalam panjang yang lebih pendek.

Munculnya rendahnya Lithium Niobate Submikron Waveguide memecah hambatan tegangan berkendara tinggi dari modulator elektro-optik lithium niobate tradisional. Jarak elektroda dapat dikurangi menjadi ~ 5 μm, dan tumpang tindih antara medan listrik dan medan 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 sangat berkurang dibandingkan dengan modulator tradisional. Pada saat yang sama, setelah mengoptimalkan parameter lebar, ketebalan dan interval elektroda gelombang keliling, seperti yang ditunjukkan pada gambar, modulator dapat memiliki kemampuan bandwidth modulasi yang sangat tinggi lebih besar dari 100 GHz.

Gbr.1 （A） Distribusi mode yang dihitung dan （B） gambar penampang pandu gelombang LN

Gbr.2 （A）））））））））））））））））））））））））））））））））））））））））））））） （b （b （b （b （b （b （b （b （b （b

Perbandingan modulator lithium niobate film tipis dengan modulator komersial lithium niobate tradisional, modulator berbasis silikon dan modulator indium phosphide (INP) dan modulator elektro-optik berkecepatan tinggi lainnya, parameter utama dari perbandingan meliputi termasuk:
(1) Produk panjang volt-gelombang (Vπ · L, V · cm), mengukur efisiensi modulasi modulator, semakin kecil nilainya, semakin tinggi efisiensi modulasi;
(2) 3 dB Modulasi Bandwidth (GHz), yang mengukur respons modulator terhadap modulasi frekuensi tinggi;
(3) Kehilangan penyisipan optik (DB) di wilayah modulasi. Dapat dilihat dari meja 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 matang, miniaturasinya 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 adalah pengendara, injeksi pembawa dan akumulasi pembawa. Di antara mereka, bandwidth modulator optimal dengan mekanisme penipisan pembawa derajat linier, tetapi karena distribusi medan optik tumpang tindih dengan non-keseragaman daerah penipisan, efek ini akan memperkenalkan distorsi orde nonlinier dan distorsi intermodulasi yang dikurangi, yang dikurangi dengan pengurangan pengurangan.

Modulator INP memiliki efek elektro-optik yang luar biasa, dan struktur sumur kuantum multi-lapisan dapat mewujudkan laju ultra-tinggi dan modulator tegangan penggerak rendah dengan Vπ · L hingga 0,156V · mm. Namun, variasi indeks bias dengan medan listrik mencakup istilah linier dan nonlinier, dan peningkatan intensitas medan listrik akan membuat efek orde kedua menonjol. Oleh karena itu, silikon dan modulator elektro-optik INP perlu menerapkan bias untuk membentuk persimpangan PN ketika mereka bekerja, dan persimpangan PN akan membawa kerugian penyerapan. Namun, ukuran modulator dari keduanya kecil, ukuran modulator INP komersial adalah 1/4 dari modulator LN. Efisiensi modulasi tinggi, cocok untuk kepadatan tinggi dan jaringan transmisi optik digital 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 tingkat tinggi. Dalam aplikasi foton microwave, koefisien elektro-optik SI dan INP adalah nonlinier, yang tidak cocok untuk sistem foton microwave yang mengejar linearitas tinggi dan dinamika besar. Bahan lithium niobate sangat cocok untuk aplikasi foton microwave karena koefisien modulasi elektro-optik yang sepenuhnya linier.