Vantaggi e significato del niobato di litio a film sottile nella tecnologia fotonica a microonde integrata
Tecnologia dei fotoni a microondepresenta i vantaggi di un'ampia larghezza di banda operativa, una forte capacità di elaborazione parallela e una bassa perdita di trasmissione, che ha il potenziale per rompere il collo di bottiglia tecnico del tradizionale sistema a microonde e migliorare le prestazioni delle apparecchiature informatiche elettroniche militari come radar, guerra elettronica, comunicazione e misurazione e controllare. Tuttavia, il sistema di fotoni a microonde basato su dispositivi discreti presenta alcuni problemi come il grande volume, il peso elevato e la scarsa stabilità, che limitano seriamente l’applicazione della tecnologia dei fotoni a microonde nelle piattaforme spaziali e aeree. Pertanto, la tecnologia integrata dei fotoni a microonde sta diventando un supporto importante per interrompere l'applicazione dei fotoni a microonde nei sistemi informativi elettronici militari e sfruttare appieno i vantaggi della tecnologia dei fotoni a microonde.
Allo stato attuale, la tecnologia di integrazione fotonica basata su SI e la tecnologia di integrazione fotonica basata su INP sono diventate sempre più mature dopo anni di sviluppo nel campo della comunicazione ottica e molti prodotti sono stati immessi sul mercato. Tuttavia, per l'applicazione del fotone a microonde, ci sono alcuni problemi in questi due tipi di tecnologie di integrazione dei fotoni: ad esempio, il coefficiente elettro-ottico non lineare del modulatore Si e del modulatore InP è contrario all'elevata linearità e alle grandi caratteristiche dinamiche perseguite dalle microonde. tecnologia fotonica; Ad esempio, l'interruttore ottico al silicio che realizza la commutazione del percorso ottico, sia esso basato sull'effetto termico-ottico, sull'effetto piezoelettrico o sull'effetto di dispersione dell'iniezione del vettore, presenta i problemi di bassa velocità di commutazione, consumo energetico e consumo di calore, che non possono soddisfare la velocità applicazioni di scansione di fasci e fotoni a microonde su larga scala.
Il niobato di litio è sempre stato la prima scelta per l'alta velocitàmodulazione elettro-otticamateriali grazie al suo eccellente effetto elettro-ottico lineare. Tuttavia, il tradizionale niobato di litiomodulatore elettrootticoè realizzato in massiccio materiale cristallino di niobato di litio e le dimensioni del dispositivo sono molto grandi, il che non può soddisfare le esigenze della tecnologia fotonica a microonde integrata. Come integrare i materiali di niobato di litio con coefficiente elettro-ottico lineare nel sistema integrato di tecnologia fotonica a microonde è diventato l'obiettivo dei ricercatori pertinenti. Nel 2018, un gruppo di ricerca dell'Università di Harvard negli Stati Uniti ha segnalato per la prima volta in Natura la tecnologia di integrazione fotonica basata sul niobato di litio a film sottile, perché la tecnologia presenta i vantaggi di un'elevata integrazione, un'ampia larghezza di banda di modulazione elettro-ottica e un'elevata linearità dell'elettro -l'effetto ottico, una volta lanciato, ha immediatamente suscitato l'attenzione accademica e industriale nel campo dell'integrazione fotonica e della fotonica a microonde. Dal punto di vista dell'applicazione dei fotoni a microonde, questo articolo esamina l'influenza e il significato della tecnologia di integrazione dei fotoni basata sul niobato di litio a film sottile sullo sviluppo della tecnologia dei fotoni a microonde.
Materiale in niobato di litio a film sottile e film sottilemodulatore del niobato di litio
Negli ultimi due anni è emerso un nuovo tipo di materiale di niobato di litio, ovvero la pellicola di niobato di litio viene esfoliata dal massiccio cristallo di niobato di litio mediante il metodo di "affettatura ionica" e legata al wafer di Si con uno strato tampone di silice per formano il materiale LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], che in questo articolo viene chiamato materiale di niobato di litio a film sottile. Le guide d'onda di cresta con un'altezza superiore a 100 nanometri possono essere incise su materiali di niobato di litio a film sottile mediante un processo di incisione a secco ottimizzato e la differenza di indice di rifrazione effettiva delle guide d'onda formate può raggiungere più di 0,8 (molto superiore alla differenza di indice di rifrazione delle guide d'onda tradizionali guide d'onda in niobato di litio di 0,02), come mostrato nella Figura 1. La guida d'onda fortemente ristretta semplifica la corrispondenza del campo luminoso con il campo delle microonde durante la progettazione del modulatore. Pertanto, è vantaggioso ottenere una tensione di semionda inferiore e una larghezza di banda di modulazione maggiore in una lunghezza inferiore.
L'aspetto della guida d'onda submicronica al niobato di litio a bassa perdita rompe il collo di bottiglia dell'alta tensione di pilotaggio del tradizionale modulatore elettro-ottico al niobato di litio. La spaziatura degli elettrodi può essere ridotta a ~ 5 μm e la sovrapposizione tra il campo elettrico e il campo in modalità ottica è notevolmente aumentata e vπ ·L diminuisce da più di 20 V·cm a meno di 2,8 V·cm. Pertanto, a parità di tensione di semionda, la lunghezza del dispositivo può essere notevolmente ridotta rispetto al modulatore tradizionale. Allo stesso tempo, dopo aver ottimizzato i parametri di larghezza, spessore e intervallo dell'elettrodo a onda progressiva, come mostrato in figura, il modulatore può avere la capacità di una larghezza di banda di modulazione ultraelevata superiore a 100 GHz.
Fig.1 （a） distribuzione modale calcolata e （b） immagine della sezione trasversale della guida d'onda LN
Fig.2 （a） Guida d'onda ed struttura dell'elettrodo e （b） piastra centrale del modulatore LN
Il confronto tra modulatori di niobato di litio a film sottile con modulatori commerciali tradizionali di niobato di litio, modulatori a base di silicio e modulatori di fosfuro di indio (InP) e altri modulatori elettro-ottici ad alta velocità esistenti, i principali parametri del confronto includono:
(1) Prodotto volt-lunghezza di semionda (vπ ·L, V·cm), che misura l'efficienza di modulazione del modulatore, minore è il valore, maggiore è l'efficienza di modulazione;
(2) larghezza di banda di modulazione di 3 dB (GHz), che misura la risposta del modulatore alla modulazione ad alta frequenza;
(3) Perdita di inserzione ottica (dB) nella regione di modulazione. Dalla tabella si può vedere che il modulatore al niobato di litio a film sottile presenta evidenti vantaggi in termini di larghezza di banda di modulazione, tensione a semionda, perdita di interpolazione ottica e così via.
Il silicio, pietra angolare dell'optoelettronica integrata, è stato sviluppato finora, il processo è maturo, la sua miniaturizzazione favorisce l'integrazione su larga scala di dispositivi attivi/passivi e il suo modulatore è stato ampiamente e profondamente studiato nel campo dell'ottica comunicazione. Il meccanismo di modulazione elettro-ottico del silicio è principalmente l'esaurimento dei portatori, l'iniezione e l'accumulo dei portatori. Tra questi, la larghezza di banda del modulatore è ottimale con il meccanismo di svuotamento della portante in grado lineare, ma poiché la distribuzione del campo ottico si sovrappone alla non uniformità della regione di svuotamento, questo effetto introdurrà una distorsione non lineare del secondo ordine e una distorsione di intermodulazione del terzo ordine. termini, insieme all'effetto di assorbimento della portante sulla luce, che porterà alla riduzione dell'ampiezza della modulazione ottica e della distorsione del segnale.
Il modulatore InP ha effetti elettro-ottici eccezionali e la struttura a pozzo quantico multistrato può realizzare modulatori a velocità ultraelevata e bassa tensione di pilotaggio con Vπ·L fino a 0,156 V · mm. Tuttavia, la variazione dell’indice di rifrazione con il campo elettrico include termini lineari e non lineari, e l’aumento dell’intensità del campo elettrico renderà prominente l’effetto del secondo ordine. Pertanto, i modulatori elettro-ottici in silicio e InP devono applicare una polarizzazione per formare la giunzione pn quando funzionano, e la giunzione pn porterà alla luce la perdita di assorbimento. Tuttavia, la dimensione del modulatore di questi due è piccola, la dimensione del modulatore InP commerciale è 1/4 del modulatore LN. Elevata efficienza di modulazione, adatta per reti di trasmissione ottica digitale ad alta densità e a breve distanza come i data center. L'effetto elettro-ottico del niobato di litio non ha un meccanismo di assorbimento della luce e ha una bassa perdita, adatto per immagini coerenti a lunga distanzacomunicazione otticacon grande capacità e velocità elevata. Nell'applicazione dei fotoni a microonde, i coefficienti elettro-ottici di Si e InP non sono lineari, il che non è adatto al sistema di fotoni a microonde che persegue un'elevata linearità e una grande dinamica. Il materiale del niobato di litio è molto adatto per l'applicazione di fotoni a microonde grazie al suo coefficiente di modulazione elettro-ottica completamente lineare.
Orario di pubblicazione: 22 aprile 2024