Keunggulan dan signifikansi lapisan tipis lithium niobate dalam teknologi foton gelombang mikro terintegrasi
Teknologi foton gelombang mikromemiliki keunggulan berupa lebar pita kerja yang besar, kemampuan pemrosesan paralel yang kuat, dan kehilangan transmisi yang rendah, yang berpotensi untuk memecahkan 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 yang berbasis pada perangkat diskrit memiliki beberapa masalah seperti volume yang besar, bobot yang berat, dan stabilitas yang buruk, yang secara serius membatasi penerapan teknologi foton gelombang mikro di platform antariksa dan udara. Oleh karena itu, teknologi foton gelombang mikro terintegrasi menjadi pendukung penting untuk memecahkan 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 telah menjadi semakin matang setelah bertahun-tahun dikembangkan di bidang komunikasi optik, dan banyak produk telah dipasarkan. Namun, untuk aplikasi foton gelombang mikro, ada 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 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 larik besar.
Lithium niobate selalu menjadi pilihan pertama untuk kecepatan tinggimodulasi elektro-optikbahan karena efek elektro-optik liniernya yang sangat baik. Namun, lithium niobat tradisionalmodulator elektro-optikTerbuat dari bahan kristal litium niobat yang sangat besar, dan ukuran perangkatnya sangat besar, yang tidak dapat memenuhi kebutuhan teknologi foton gelombang mikro terintegrasi. Bagaimana mengintegrasikan bahan litium niobat 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 berdasarkan litium niobat lapisan tipis di Nature, karena teknologi tersebut memiliki keunggulan integrasi tinggi, lebar pita modulasi elektro-optik yang besar, dan linearitas efek elektro-optik yang tinggi, begitu 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 mengulas pengaruh dan signifikansi teknologi integrasi foton berdasarkan litium niobat lapisan tipis pada pengembangan teknologi foton gelombang mikro.
Bahan lithium niobate film tipis dan film tipisModulator litium niobat
Dalam dua tahun terakhir, jenis baru bahan litium niobat telah muncul, yaitu, film litium niobat terkelupas dari kristal litium niobat masif dengan metode "pemotongan 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. Pemandu 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 pemandu gelombang yang terbentuk dapat mencapai lebih dari 0,8 (jauh lebih tinggi daripada perbedaan indeks bias pemandu gelombang litium niobat tradisional sebesar 0,02), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pemandu gelombang yang sangat dibatasi membuatnya lebih mudah untuk mencocokkan medan cahaya dengan medan gelombang mikro saat mendesain modulator. Dengan demikian, bermanfaat untuk mencapai tegangan setengah gelombang yang lebih rendah dan lebar pita modulasi yang lebih besar dalam panjang yang lebih pendek.
Munculnya pemandu gelombang submikron lithium niobate dengan rugi 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 medan mode optik meningkat pesat, 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.
Gambar 1 (a) distribusi mode yang dihitung dan (b) gambar penampang gelombang pandu LN
Gambar 2 (a) Struktur pemandu gelombang dan elektroda dan (b) pelat inti modulator LN
Perbandingan modulator litium niobat lapisan tipis dengan modulator litium niobat tradisional komersial, modulator berbasis silikon dan modulator indium fosfida (InP) serta 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) Kerugian penyisipan optik (dB) di wilayah modulasi. Dapat dilihat dari tabel bahwa modulator litium niobate film tipis memiliki keunggulan yang jelas dalam lebar pita modulasi, tegangan setengah gelombang, kerugian interpolasi optik, dan sebagainya.
Silikon, sebagai landasan optoelektronik terpadu, telah dikembangkan sejauh ini, prosesnya matang, miniaturisasinya kondusif bagi integrasi perangkat aktif/pasif berskala besar, dan modulatornya telah dipelajari secara luas dan mendalam di bidang komunikasi optik. Mekanisme modulasi elektro-optik silikon terutama adalah penipisan pembawa, injeksi pembawa, dan akumulasi pembawa. Di antara mereka, lebar pita modulator optimal dengan mekanisme penipisan pembawa derajat linier, tetapi karena distribusi medan optik tumpang tindih dengan ketidakseragaman wilayah penipisan, efek ini akan memperkenalkan distorsi orde kedua nonlinier dan istilah 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 multi-lapis dapat mewujudkan modulator tegangan penggerak rendah dan laju sangat tinggi 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, modulator elektro-optik silikon dan InP perlu menerapkan bias untuk membentuk sambungan pn saat bekerja, 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 kepadatan tinggi dan jarak pendek seperti pusat data. Efek elektro-optik litium niobat tidak memiliki mekanisme penyerapan cahaya dan kehilangan rendah, yang cocok untuk koherensi jarak jauhkomunikasi 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. Bahan litium niobat sangat cocok untuk aplikasi foton gelombang mikro karena koefisien modulasi elektro-optiknya yang sepenuhnya linier.
Waktu posting: 22-Apr-2024