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

Vantaxes e importancia do niobato de litio de película fina en tecnoloxía de fotóns de microondas integrado

Tecnoloxía de fotóns de microondasten as vantaxes de gran ancho de banda de traballo, forte capacidade de procesamento paralelo e baixa perda de transmisión, que ten o potencial de romper o pescozo técnico do sistema tradicional de microondas e mellorar o rendemento de equipos de información electrónica militar 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 mala 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 importante apoio para romper a aplicación do fotón de microondas no sistema de información electrónica militar e dar un xogo completo 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 convertéronse en cada vez máis maduras despois de anos de desenvolvemento no campo da comunicación óptica, e moitos produtos foron introducidos no mercado. Non obstante, para a aplicación de fotón de microondas, hai algúns problemas nestes dous tipos de tecnoloxías de integración de fotóns: por exemplo, o coeficiente electro-óptico non lineal de modulador SI e modulador INP é contrario á alta linealidade e grandes características dinámicas perseguidas pola tecnoloxía de fotóns de microondas; Por exemplo, o interruptor óptico de silicio que realiza a conmutación de ruta óptica, xa sexa en función do efecto térmico-óptico, do efecto piezoeléctrico ou do efecto de dispersión da inxección de transportistas, ten os problemas de velocidade de conmutación lenta, consumo de enerxía e consumo de calor, que non poden cumprir a dixitalización rápida e as aplicacións de fotóns de microondas a gran variedade.

Lithium Niobate sempre foi a primeira opción para a alta velocidadeModulación electro-ópticaMateriais polo seu excelente efecto electro-óptico lineal. Non obstante, o tradicional niobato de litioModulador electro-ópticoestá feito de material masivo de cristal de niobato de litio e o tamaño do dispositivo é moi grande, o que non pode satisfacer as necesidades da tecnoloxía de fotóns de microondas integrados. Como integrar materiais de niobato de litio con coeficiente lineal electro-óptico 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 dos Estados Unidos informou por primeira vez da tecnoloxía de integración fotónica baseada na natureza de niobato de litio de película fina, porque a tecnoloxía ten as vantaxes de alta integración, gran ancho de banda de modulación electro-óptica e alta linealidade da integración electro-óptica, unha vez lanzada, inmediatamente provocou a atención académica e industrial no campo da integración fotónica e o micónico micónico. Desde a perspectiva da aplicación de fotóns de microondas, este artigo revisa a influencia e a importancia da tecnoloxía de integración de fotóns baseada en niobato de litio de película fina 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 niobado de litio, é dicir, a película niobada de litio está exfoliada do masivo cristal de niobato de litio polo método de "ion sandote" e unido ao oblea de si un material de búfer de silica. papel. As guías de onda do crista cunha altura de máis de 100 nanómetros pódense gravar en materiais de niobato de litio de filme finas mediante un proceso de gravado seco optimizado, e a diferenza de índice de refracción efectiva das guías de onda formadas pode alcanzar máis de 0,8 (moi superior á diferenza de refracción. campo lixeiro co campo de microondas ao deseñar o modulador. Así, é beneficioso conseguir unha menor tensión de media onda e ancho de banda de modulación maior nunha lonxitude máis curta.

A aparición de Guía de onda de submicrón de niobato de litio de baixa perda rompe o pescozo de alta tensión de condución do modulador electro-óptico de niobato de litio tradicional. O espazo entre os 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 do ancho, grosor e intervalo do electrodo de onda viaxeira, 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 calculado e （B） Imaxe da sección transversal de guía de ondas LN

Fig.2 （A） Guía de onda e estrutura de electrodos e （B） Coreplate do modulador LN

A comparación de moduladores de niobate de litio de película fina con moduladores comerciais tradicionais de litio niobato, moduladores a base de silicio e moduladores de fósfuro 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), medindo 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 niobate de litio de película fina ten vantaxes evidentes no ancho de banda de modulación, tensión de media onda, perda de interpolación óptica, etc.

O silicio, como a pedra angular da optoelectrónica integrada, foi desenvolvido ata o momento, o proceso é maduro, a súa miniaturización propicia a integración a gran escala de dispositivos activos/pasivos e o seu modulador foi estudado amplamente e profundamente no campo da comunicación óptica. O mecanismo de modulación electro-óptica de silicio é principalmente a extinción de portadores, inxección de transportistas e acumulación de transportistas. Among them, the bandwidth of the modulator is optimal with the linear degree carrier depletion mechanism, but because the optical field distribution overlaps with the non-uniformity of the depletion region, this effect will introduce nonlinear second-order distortion and third-order intermodulation distortion terms, coupled with the absorption effect of the carrier on the light, which will lead to the reduction of the optical modulation amplitude and signal distorsión.

O modulador INP ten efectos electro-ópticos destacados, e a estrutura de pozos cuánticos de varias capas pode realizar unha taxa ultra-alta e moduladores de baixa tensión de condución con Vπ · L ata 0,156V · 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 necesitan aplicar sesgo para formar unión PN cando traballan e a unión PN levará á luz a perda de absorción. Non obstante, o tamaño do modulador destes dous é pequeno, o tamaño do modulador de INP comercial é de 1/4 do modulador LN. Alta eficiencia de modulación, adecuada para redes de transmisión óptica dixital de alta densidade e curta distancia como centros de datos. O efecto electro-óptico do niobato de litio non ten ningún mecanismo de absorción de luz e baixa perda, que é adecuado para coherente a longa distanciaComunicación ópticacon gran capacidade e alta taxa. Na aplicación de fotóns de microondas, os coeficientes electro-ópticos de SI e INP non son lineal, o que non é adecuado para o sistema de fotóns de microondas que persegue unha alta linealidade e gran dinámica. O material niobato de litio é moi adecuado para a aplicación de fotóns de microondas debido ao seu coeficiente de modulación electro-óptica completamente lineal.