Material de niobato de litio de película fina e modulador de niobato de litio de película fina

Vantaxes e importancia do niobato de litio de película fina na tecnoloxía de fotóns de microondas integrados

Tecnoloxía de fotóns de microondasten as vantaxes dunha gran largura de banda de traballo, unha forte capacidade de procesamento paralelo e unha baixa perda de transmisión, o que ten o potencial de romper o pescozo de botella técnico do sistema de microondas tradicional e mellorar o rendemento dos equipos de información electrónica militar como o radar, a guerra electrónica, a comunicación e a medición e o control. Non obstante, o sistema de fotóns de microondas baseado en dispositivos discretos ten algúns problemas, como o gran volume, o peso pesado e a pouca estabilidade, que restrinxen seriamente a aplicación da tecnoloxía de fotóns de microondas en plataformas espaciais e aéreas. Polo tanto, a tecnoloxía integrada de fotóns de microondas está a converterse nun apoio importante para romper a aplicación do fotón de microondas no sistema de información electrónica militar e aproveitar ao máximo as vantaxes da tecnoloxía de fotóns de microondas.

Na actualidade, a tecnoloxía de integración fotónica baseada en SI e a tecnoloxía de integración fotónica baseada en INP maduraron cada vez máis despois de anos de desenvolvemento no campo da comunicación óptica, e moitos produtos foron introducidos no mercado. Non obstante, para a aplicación de fotóns de microondas, existen algúns problemas nestes dous tipos de tecnoloxías de integración de fotóns: por exemplo, o coeficiente electroóptico non lineal do modulador de Si e o modulador de InP é contrario á alta linealidade e ás grandes características dinámicas que persegue a tecnoloxía de fotóns de microondas; Por exemplo, o interruptor óptico de silicio que realiza a conmutación de rutas ópticas, xa sexa baseado no efecto térmico-óptico, no efecto piezoeléctrico ou no efecto de dispersión de inxección de portador, ten problemas de velocidade de conmutación lenta, consumo de enerxía e consumo de calor, que non poden satisfacer as aplicacións de fotóns de microondas de dixitalización de feixe rápido e a gran escala de matriz.

O niobato de litio sempre foi a primeira opción para alta velocidademodulación electroópticamateriais debido ao seu excelente efecto electroóptico lineal. Non obstante, o niobato de litio tradicionalmodulador electroópticoestá feito de material cristalino de niobato de litio masivo, e o tamaño do dispositivo é moi grande, o que non pode satisfacer as necesidades da tecnoloxía de fotóns de microondas integrada. A integración de materiais de niobato de litio cun coeficiente electroóptico lineal no sistema de tecnoloxía de fotóns de microondas integrada converteuse no obxectivo dos investigadores relevantes. En 2018, un equipo de investigación da Universidade de Harvard nos Estados Unidos informou por primeira vez da tecnoloxía de integración fotónica baseada en película fina de niobato de litio en Nature, debido a que a tecnoloxía ten as vantaxes dunha alta integración, un gran ancho de banda de modulación electroóptica e unha alta linealidade do efecto electroóptico. Unha vez lanzada, provocou inmediatamente a atención académica e industrial no campo da integración fotónica e a fotónica de microondas. Desde a perspectiva da aplicación de fotóns de microondas, este artigo revisa a influencia e a importancia da tecnoloxía de integración fotónica baseada en película fina de niobato de litio no desenvolvemento da tecnoloxía de fotóns de microondas.

Material de niobato de litio de película fina e película finamodulador de niobato de litio
Nos últimos dous anos, xurdiu un novo tipo de material de niobato de litio, é dicir, a película de niobato de litio exfóliase do cristal masivo de niobato de litio mediante o método de "corte de ións" e únese á oblea de Si cunha capa tampón de sílice para formar material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], que neste artigo se denomina material de niobato de litio de película fina. As guías de onda de cristas cunha altura de máis de 100 nanómetros poden gravarse en materiais de niobato de litio de película fina mediante un proceso de gravado en seco optimizado, e a diferenza de índice de refracción efectiva das guías de onda formadas pode alcanzar máis de 0,8 (moito maior que a diferenza de índice de refracción das guías de onda de niobato de litio tradicionais de 0,02), como se mostra na Figura 1. A guía de onda fortemente restrinxida facilita a coincidencia do campo de luz co campo de microondas ao deseñar o modulador. Polo tanto, é beneficioso conseguir unha tensión de media onda máis baixa e un maior ancho de banda de modulación nunha lonxitude máis curta.

A aparición dunha guía de onda submicrónica de niobato de litio de baixa perda rompe o pescozo de botella da alta tensión de accionamento do modulador electroóptico de niobato de litio tradicional. O espazado dos eléctrodos pode reducirse a ~5 μm e a superposición entre o campo eléctrico e o campo do modo óptico aumenta considerablemente, e o vπ·L diminúe de máis de 20 V·cm a menos de 2,8 V·cm. Polo tanto, coa mesma tensión de media onda, a lonxitude do dispositivo pode reducirse considerablemente en comparación co modulador tradicional. Ao mesmo tempo, despois de optimizar os parámetros de ancho, grosor e intervalo do eléctrodo de onda viaxante, como se mostra na figura, o modulador pode ter a capacidade dun ancho de banda de modulación ultraalto superior a 100 GHz.

Fig. 1 (a) distribución de modo calculada e (b) imaxe da sección transversal da guía de ondas LN

Fig. 2 (a) Estrutura da guía de ondas e do eléctrodo e (b) placa central do modulador LN

A comparación de moduladores de niobato de litio de película fina con moduladores comerciais tradicionais de niobato de litio, moduladores baseados en silicio e moduladores de fosfuro de indio (InP) e outros moduladores electroópticos de alta velocidade existentes, os principais parámetros da comparación inclúen:
(1) Produto de media onda por voltio (vπ·L, V·cm), que mide a eficiencia de modulación do modulador; canto menor sexa o valor, maior será a eficiencia de modulación;
(2) Ancho de banda de modulación de 3 dB (GHz), que mide a resposta do modulador á modulación de alta frecuencia;
(3) Perda de inserción óptica (dB) na rexión de modulación. Na táboa pódese ver que o modulador de niobato de litio de película fina ten vantaxes obvias no ancho de banda de modulación, a tensión de media onda, a perda de interpolación óptica, etc.

O silicio, como pedra angular da optoelectrónica integrada, foi desenvolvido ata o de agora, o proceso é maduro, a súa miniaturización favorece a integración a grande escala de dispositivos activos/pasivos e o seu modulador foi ampla e profundamente estudado no campo da comunicación óptica. O mecanismo de modulación electroóptica do silicio é principalmente o esgotamento de portadoras, a inxección de portadoras e a acumulación de portadoras. Entre elas, o ancho de banda do modulador é óptimo co mecanismo de esgotamento de portadoras de grao lineal, pero debido a que a distribución do campo óptico se solapa coa non uniformidade da rexión de esgotamento, este efecto introducirá termos de distorsión non lineal de segunda orde e distorsión de intermodulación de terceira orde, xunto co efecto de absorción da portadora na luz, o que levará á redución da amplitude da modulación óptica e da distorsión do sinal.

O modulador InP ten efectos electroópticos excepcionais, e a estrutura de pozo cuántico multicapa pode realizar moduladores de taxa ultra alta e baixa tensión de accionamento con Vπ·L de ata 0,156 V · mm. Non obstante, a variación do índice de refracción co campo eléctrico inclúe termos lineais e non lineais, e o aumento da intensidade do campo eléctrico fará que o efecto de segunda orde sexa prominente. Polo tanto, os moduladores electroópticos de silicio e InP necesitan aplicar polarización para formar unha unión pn cando funcionan, e a unión pn provocará perdas de absorción á luz. Non obstante, o tamaño do modulador destes dous é pequeno, o tamaño do modulador InP comercial é 1/4 do modulador LN. Alta eficiencia de modulación, axeitado para redes de transmisión óptica dixital de alta densidade e curta distancia, como centros de datos. O efecto electroóptico do niobato de litio non ten mecanismo de absorción de luz e baixa perda, o que é axeitado para coherencia de longa distancia.comunicación ópticacon gran capacidade e alta taxa. Na aplicación de fotóns de microondas, os coeficientes electroópticos de Si e InP non son lineais, o que non é axeitado para o sistema de fotóns de microondas que busca unha alta linealidade e unha gran dinámica. O material de niobato de litio é moi axeitado para a aplicación de fotóns de microondas debido ao seu coeficiente de modulación electroóptica completamente lineal.