Vantaggi e significato del nioba di litio a film sottile nella tecnologia dei fotoni a microonde integrata
Tecnologia dei fotoni a microondeHa i vantaggi della grande larghezza di banda di lavoro, 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 di apparecchiature di informazione elettronica militare come radar, guerra elettronica, comunicazione e misurazione e controllo. Tuttavia, il sistema di fotoni a microonde basato su dispositivi discreti presenta alcuni problemi come grande volume, peso pesante e scarsa stabilità, che limitano seriamente l'applicazione della tecnologia dei fotoni a microonde nelle piattaforme Spaceborne e nell'aria. Pertanto, la tecnologia di fotoni a microonde integrata sta diventando un supporto importante per rompere l'applicazione del fotone a microonde nel sistema di informazione elettronica militare e offrire piena gioco ai vantaggi della tecnologia dei fotoni a microonde.
Al momento, 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 messi 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 dalla tecnologia del fotone a microonde; Ad esempio, l'interruttore ottico al silicio che realizza la commutazione del percorso ottico, sia in base all'effetto termico-ottico, all'effetto piezoelettrico o all'effetto di dispersione dell'iniezione del vettore, ha i problemi di velocità di commutazione lenta, consumo di energia e consumo di calore, che non può soddisfare le applicazioni di foto di foto a microonde a microonde.
Il litio niobate è sempre stata la prima scelta per l'alta velocitàModulazione elettro-otticaMateriali per il suo eccellente effetto elettro-ottico lineare. Tuttavia, il tradizionale niobate di litioModulatore elettro-otticoè realizzato con un enorme materiale di cristallo di nioba al litio e la dimensione del dispositivo è molto grande, il che non può soddisfare le esigenze della tecnologia di fotoni a microonde integrata. Come integrare i materiali di nioba al litio con coefficiente elettro-ottico lineare nel sistema tecnologico dei fotoni a microonde integrato è diventato l'obiettivo dei ricercatori pertinenti. Nel 2018, un team di ricerca dell'Università di Harvard negli Stati Uniti ha riportato per la prima volta la tecnologia di integrazione fotonica basata sulla natura niobata di litio a film sottile, poiché la tecnologia ha i vantaggi di elevata integrazione, grande larghezza di banda di modulazione elettro-ottica e alta linearità dell'effetto elettro-ottico, una volta lanciato, ha causato immediatamente l'attenzione accademica e industriale nel campo dell'integrazione fotonica. Dal punto di vista dell'applicazione di fotoni a microonde, questo documento esamina l'influenza e il significato della tecnologia di integrazione dei fotoni basati sul nioba di litio a film sottile sullo sviluppo della tecnologia dei fotoni a microonde.
Materiale di nioba al litio di film sottile e film sottileModulatore di nioba al litio
Negli ultimi due anni, è emerso un nuovo tipo di materiale di nioba al litio, cioè il film di nioba al litio è esfoliato dal massiccio cristallo di nioba di litio con il metodo di "5]. Le guide d'onda della cresta con un'altezza di oltre 100 nanometri possono essere incise su materiali di nioba al litio a film sottile mediante un processo di incisione a secco ottimizzata e la differenza di indice di rifrazione efficace delle guide d'onda formata può raggiungere più di 0,8 (molto più in alto l'indice di rifrazione con la differenza di field con il campo di luce tradizionale con il campo di luci del litio con il campo di guida del litio tradizionale in campo di field con il fieno di fieno di riferimento. Progettazione del modulatore. Pertanto, è utile ottenere una tensione a mezza onda più bassa e una larghezza di banda di modulazione maggiore in una lunghezza più breve.
La comparsa di una guida d'onda del submicron di nioba a bassa perdita rompe il collo di bottiglia di alta tensione di guida del tradizionale modulatore elettro-ottico di nioba al litio. La spaziatura degli elettrodi può essere ridotta a ~ 5 μm e la sovrapposizione tra il campo elettrico e il campo della modalità ottica è notevolmente aumentata e il Vπ · L diminuisce da più di 20 V · cm a meno di 2,8 V · cm. Pertanto, sotto la stessa tensione a mezza onda, la lunghezza del dispositivo può essere notevolmente ridotta rispetto al modulatore tradizionale. Allo stesso tempo, dopo aver ottimizzato i parametri della larghezza, dello spessore e dell'intervallo dell'elettrodo d'onda di viaggio, come mostrato nella figura, il modulatore può avere la capacità di una larghezza di banda di modulazione ultra-alta superiore a 100 GHz.
Fig.1 （A） Distribuzione della modalità calcolata e （B） Immagine della sezione trasversale della guida d'onda LN
Fig.2 （A） Guida d'onda e struttura degli elettrodi e （B） Coreplate del modulatore LN
Il confronto tra modulatori di niobate di litio a film sottile con tradizionali modulatori commerciali di niobate 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 a mezza onda di lunghezza (Vπ · L, V · cm), misurando l'efficienza di modulazione del modulatore, minore è il valore, maggiore è l'efficienza di modulazione;
(2) larghezza di banda di modulazione 3 dB (GHZ), che misura la risposta del modulatore alla modulazione ad alta frequenza;
(3) Perdita di inserimento ottico (DB) nella regione di modulazione. Dal tavolo si può vedere che il modulatore di nioba al litio a film sottile presenta evidenti vantaggi nella larghezza di banda della modulazione, nella tensione a mezza onda, nella perdita di interpolazione ottica e così via.
Il silicio, in quanto pietra angolare dell'optoelettronica integrata, è stato finora sviluppato, il processo è maturo, la sua miniaturizzazione è favorevole all'integrazione su larga scala di dispositivi attivi/passivi e il suo modulatore è stato ampiamente e profondamente studiato nel campo della comunicazione ottica. Il meccanismo di modulazione elettro-ottica del silicio è principalmente depling di trasferimento, iniezione portante e accumulo di portatore. 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 distortion.
Il modulatore INP ha effetti elettro-ottici eccezionali e la struttura del pozzo quantistico a più livelli può realizzare modulatori a velocità ultra-alta e bassa tensione di guida 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 il primo effetto di ordine prominente. Pertanto, i modulatori elettro-ottici di silicio e INP devono applicare bias 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 a reti di trasmissione ottica digitale ad alta densità e a breve distanza come i data center. L'effetto elettro-ottico del nioba di litio non ha meccanismo di assorbimento della luce e bassa perdita, che è adatto per coerenti a lunga distanzacomunicazione otticacon grande capacità e alto tasso. Nell'applicazione del fotone 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 di nioba al litio è molto adatto per l'applicazione di fotoni a microonde a causa del suo coefficiente di modulazione elettro-ottica completamente lineare.
Tempo post: aprile-22-2024