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 integrada de fotóns de microondas

Tecnoloxía de fotóns de microondasten as vantaxes dun gran ancho 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 tradicional de microondas e mellorar o rendemento dos equipos militares de información electrónica como radar, guerra electrónica, comunicación e medición e 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 escasa estabilidade, que restrinxen seriamente a aplicación da tecnoloxía de fotóns de microondas en plataformas aerotransportadas e espaciais. Polo tanto, a tecnoloxía de fotóns de microondas integrado estase a converter nun soporte importante para romper a aplicación do fotón de microondas no sistema de información electrónica militar e darlle o máximo partido ás 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 puxéronse no mercado moitos produtos. Non obstante, para a aplicación do fotón de microondas, hai algúns problemas nestes dous tipos de tecnoloxías de integración de fotóns: por exemplo, o coeficiente electro-óptico non lineal do modulador Si e do modulador InP é contrario á alta linealidade e ás grandes características dinámicas que perseguen as microondas. tecnoloxía de fotóns; Por exemplo, o interruptor óptico de silicio que realiza a conmutación do camiño óptico, xa sexa baseado no efecto térmico-óptico, o efecto piezoeléctrico ou o efecto de dispersión da inxección de portadores, ten problemas de velocidade de conmutación lenta, consumo de enerxía e consumo de calor, que non poden satisfacer o rápido dixitalización de feixes e aplicacións de fotóns de microondas a gran escala.

O niobato de litio sempre foi a primeira opción para a alta velocidademodulación electro-ópticamateriais debido ao seu excelente efecto electro-óptico lineal. Non obstante, o tradicional niobato de litiomodulador electro-ópticoestá feito de material de cristal 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. Como integrar materiais de niobato de litio con coeficiente electro-óptico lineal no sistema integrado de tecnoloxía de fotóns de microondas 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 niobato de litio de película fina na Natureza, porque a tecnoloxía ten as vantaxes dunha alta integración, gran ancho de banda de modulación electro-óptica e alta linealidade de electro -efecto óptico, unha vez lanzado, provocou inmediatamente a atención académica e industrial no campo da integración fotónica e fotónica de microondas. Desde a perspectiva da aplicación de fotóns de microondas, este traballo revisa a influencia e a importancia da tecnoloxía de integración de fotóns baseada no niobato de litio de película fina no desenvolvemento da tecnoloxía de fotóns de microondas.

Material de niobato de litio de película fina e película delgadamodulador 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 é exfoliada do cristal masivo de niobato de litio mediante o método de "corte de iones" e unida á oblea de Si cunha capa de tampón de sílice para formar material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], que se denomina material de niobato de litio de película fina neste papel. As guías de ondas Ridge cunha altura de máis de 100 nanómetros pódense gravar en materiais de niobato de litio de película fina mediante un proceso de gravado en seco optimizado, e a diferenza efectiva do índice de refracción das guías de ondas formadas pode chegar a máis de 0,8 (moi superior á diferenza do índice de refracción tradicional). guías de ondas de niobato de litio de 0,02), como se mostra na Figura 1. A guía de ondas fortemente restrinxida facilita a relacionar o campo luminoso co campo de microondas ao deseñar o modulador. Así, é beneficioso conseguir unha menor tensión de media onda e un maior ancho de banda de modulación nunha lonxitude máis curta.

A aparición da guía de ondas submicrón de niobato de litio de baixa perda rompe o pescozo de botella da alta tensión de condución do modulador electro-óptico tradicional de niobato de litio. O espazamento entre electrodos pódese reducir a ~ 5 μm, e a superposición entre o campo eléctrico e o campo do modo óptico aumenta moito e o vπ ·L diminúe de máis de 20 V·cm a menos de 2,8 V·cm. Polo tanto, baixo a mesma tensión de media onda, a lonxitude do dispositivo pódese reducir moito en comparación co modulador tradicional. Ao mesmo tempo, despois de optimizar os parámetros de ancho, grosor e intervalo do electrodo de ondas viaxeiras, como se mostra na figura, o modulador pode ter a capacidade de ancho de banda de modulación ultra-alta superior a 100 GHz.

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

Fig.2 （a） Estrutura de guía de ondas e electrodos e placa base (b) 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 electro-ópticos de alta velocidade existentes, os principais parámetros da comparación inclúen:
(1) Produto de lonxitude de volta de media onda (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. Pódese ver na táboa 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 agora, o proceso está maduro, a súa miniaturización favorece a integración a gran escala de dispositivos activos/pasivos e o seu modulador foi ampla e profundamente estudado no campo da óptica. comunicación. O mecanismo de modulación electro-óptica do silicio é principalmente a redución de portadores, a inxección de portadores e a acumulación de portadores. Entre eles, o ancho de banda do modulador é óptimo co mecanismo de esgotamento da portadora de grao lineal, pero debido a que a distribución do campo óptico se solapa coa non uniformidade da rexión de esgotamento, este efecto introducirá distorsión non lineal de segunda orde e distorsión de intermodulación de terceira orde. termos, xunto co efecto de absorción do portador sobre a luz, o que levará á redución da amplitude da modulación óptica e do sinal. distorsión.

O modulador InP ten excelentes efectos electro-ópticos, e a estrutura de pozos cuánticos multicapa pode realizar moduladores de baixa tensión de condución e velocidade ultra alta con Vπ·L 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 destacado. Polo tanto, os moduladores electro-ópticos de silicio e InP precisan aplicar polarización para formar a unión pn cando funcionan, e a unión pn traerá á luz a perda de absorción. 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, adecuada para redes de transmisión óptica dixital de alta densidade e curta distancia como os centros de datos. O efecto electro-óptico do niobato de litio non ten ningún mecanismo de absorción de luz e baixa perda, o que é axeitado para a longa distancia coherente.comunicación ópticacon gran capacidade e alta taxa. Na aplicación de fotóns de microondas, os coeficientes electro-ópticos de Si e InP son non lineais, o que non é axeitado para o sistema de fotóns de microondas que persegue 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 electro-óptico completamente lineal.