Materiali i niobatit të litiumit me film të hollë dhe modulator i niobatit të litiumit me film të hollë

Avantazhet dhe domethënia e niobatit të litiumit me film të hollë në teknologjinë e integruar të fotoneve me mikrovalë

Teknologjia e fotoneve me mikrovalëka avantazhet e brezit të madh të punës, aftësisë së fortë të përpunimit paralel dhe humbjes së ulët të transmetimit, e cila ka potencialin të thyejë pengesën teknike të sistemit tradicional të mikrovalëve dhe të përmirësojë performancën e pajisjeve ushtarake të informacionit elektronik si radarët, lufta elektronike, komunikimi dhe matja dhe kontrollin. Megjithatë, sistemi i fotoneve me mikrovalë i bazuar në pajisje diskrete ka disa probleme si vëllimi i madh, pesha e rëndë dhe qëndrueshmëria e dobët, të cilat kufizojnë seriozisht aplikimin e teknologjisë së fotoneve të mikrovalës në platformat hapësinore dhe ajrore. Prandaj, teknologjia e integruar e fotoneve me mikrovalë po bëhet një mbështetje e rëndësishme për të thyer aplikimin e fotonit të mikrovalës në sistemin elektronik të informacionit ushtarak dhe për t'i dhënë lojë të plotë avantazheve të teknologjisë së fotoneve me mikrovalë.

Aktualisht, teknologjia e integrimit fotonik të bazuar në SI dhe teknologjia e integrimit fotonik të bazuar në INP janë bërë gjithnjë e më të pjekura pas vitesh zhvillimi në fushën e komunikimit optik, dhe shumë produkte janë hedhur në treg. Megjithatë, për aplikimin e fotonit me mikrovalë, ka disa probleme në këto dy lloje të teknologjive të integrimit të fotoneve: për shembull, koeficienti elektro-optik jolinear i modulatorit Si dhe modulatorit InP është në kundërshtim me linearitetin e lartë dhe karakteristikat e mëdha dinamike të ndjekura nga mikrovalët. teknologji fotonike; Për shembull, çelësi optik i silikonit që realizon ndërrimin e rrugës optike, qoftë i bazuar në efektin termo-optik, efektin piezoelektrik ose efektin e shpërndarjes së injektimit të bartësit, ka problemet e shpejtësisë së ngadaltë të ndërrimit, konsumit të energjisë dhe konsumit të nxehtësisë, të cilat nuk mund të përmbushin shpejtësinë. skanimi i rrezeve dhe aplikimet e fotoneve me mikrovalë në shkallë të madhe.

Niobati i litiumit ka qenë gjithmonë zgjedhja e parë për shpejtësi të lartëmodulimi elektro-optikmateriale për shkak të efektit të shkëlqyer linear elektro-optik. Megjithatë, niobati tradicional i litiumitmodulator elektro-optikështë bërë nga materiali masiv i kristalit të niobatit të litiumit, dhe madhësia e pajisjes është shumë e madhe, e cila nuk mund të plotësojë nevojat e teknologjisë së integruar të fotoneve me mikrovalë. Si të integrohen materialet e niobatit të litiumit me koeficient elektro-optik linear në sistemin e integruar të teknologjisë së fotoneve me mikrovalë, është bërë qëllimi i studiuesve përkatës. Në vitin 2018, një ekip kërkimor nga Universiteti i Harvardit në Shtetet e Bashkuara raportoi për herë të parë teknologjinë e integrimit fotonik të bazuar në niobat litium me film të hollë në Natyrë, sepse teknologjia ka avantazhet e integrimit të lartë, gjerësisë së brezit të modulimit elektro-optik dhe linearitetit të lartë të elektros. -Efekti optik, pasi u lançua, shkaktoi menjëherë vëmendjen akademike dhe industriale në fushën e integrimit fotonik dhe fotonikës mikrovalore. Nga këndvështrimi i aplikimit të fotoneve me mikrovalë, ky punim shqyrton ndikimin dhe rëndësinë e teknologjisë së integrimit të fotoneve bazuar në niobat litium me film të hollë në zhvillimin e teknologjisë së fotoneve me mikrovalë.

Material litium niobat me film të hollë dhe film të hollëmodulator niobati i litiumit
Në dy vitet e fundit, është shfaqur një lloj i ri i materialit të niobatit të litiumit, d.m.th., filmi i niobatit të litiumit është eksfoluar nga kristali masiv i niobatit të litiumit me metodën e "prerjes së joneve" dhe lidhet me vaferën Si me një shtresë tampon silici për të. nga materiali LNOI (LiNbO3-On-Izolator) [5], i cili në këtë punim quhet materiali niobat i litiumit me shtresë të hollë. Drejtuesit e valëve të kreshtës me lartësi më shumë se 100 nanometra mund të gërmohen në materialet e niobatit të litiumit me film të hollë me anë të procesit të optimizuar të gdhendjes së thatë dhe diferenca e indeksit të thyerjes efektive të valëve të formuar mund të arrijë më shumë se 0.8 (shumë më i lartë se diferenca e indeksit thyes të tradicionales Drejtues valësh niobati litium prej 0.02), siç tregohet në Figurën 1. Drejtuesi i valës shumë i kufizuar e bën më të lehtë përputhjen e fushës së dritës me fushën e mikrovalës gjatë projektimit të modulatorit. Kështu, është e dobishme të arrihet një tension më i ulët i gjysmëvalës dhe një gjerësi bande më e madhe e modulimit në një gjatësi më të shkurtër.

Shfaqja e valëve nën mikron niobat litium me humbje të ulët thyen bllokimin e tensionit të lartë lëvizës të modulatorit elektro-optik tradicional të niobatit të litiumit. Distanca e elektrodave mund të reduktohet në ~ 5 μm, dhe mbivendosja ndërmjet fushës elektrike dhe fushës së modalitetit optik rritet shumë dhe vπ ·L zvogëlohet nga më shumë se 20 V·cm në më pak se 2,8 V·cm. Prandaj, nën të njëjtin tension gjysmë-valë, gjatësia e pajisjes mund të reduktohet shumë në krahasim me modulatorin tradicional. Në të njëjtën kohë, pas optimizimit të parametrave të gjerësisë, trashësisë dhe intervalit të elektrodës së valës udhëtuese, siç tregohet në figurë, modulatori mund të ketë aftësinë e modulimit ultra të lartë të gjerësisë së brezit më të madh se 100 GHz.

Fig. 1 (a) shpërndarja e modalitetit të llogaritur dhe (b) imazhi i seksionit kryq të valëvit LN

Fig. 2 (a) Struktura e përcjellësit të valës dhe elektrodës dhe (b) bashkëngjitja e modulatorit LN

Krahasimi i modulatorëve të niobatit të litiumit me film të hollë me modulatorët tradicionalë tregtarë të niobatit të litiumit, modulatorët me bazë silikoni dhe modulatorët e fosfidit të indiumit (InP) dhe modulatorët e tjerë elektro-optikë ekzistues me shpejtësi të lartë, parametrat kryesorë të krahasimit përfshijnë:
(1) Produkti i gjatësisë së voltit me gjysmë valë (vπ ·L, V·cm), duke matur efikasitetin e modulimit të modulatorit, sa më e vogël të jetë vlera, aq më e lartë është efikasiteti i modulimit;
(2) Gjerësia e brezit të modulimit 3 dB (GHz), e cila mat përgjigjen e modulatorit ndaj modulimit me frekuencë të lartë;
(3) Humbja e futjes optike (dB) në rajonin e modulimit. Nga tabela mund të shihet se modulatori i niobatit të litiumit me film të hollë ka avantazhe të dukshme në gjerësinë e brezit të modulimit, tensionin gjysmë valë, humbjen e interpolimit optik etj.

Siliconi, si gur themeli i optoelektronikës së integruar, është zhvilluar deri më tani, procesi është i pjekur, miniaturizimi i tij është i favorshëm për integrimin në shkallë të gjerë të pajisjeve aktive/pasive dhe modulatori i tij është studiuar gjerësisht dhe thellësisht në fushën e optikes. komunikimi. Mekanizmi elektro-optik i modulimit të silikonit është kryesisht zvogëlimi i bartësit, injeksioni i bartësit dhe akumulimi i bartësit. Midis tyre, gjerësia e brezit të modulatorit është optimale me mekanizmin e zbrazjes së bartësit të shkallës lineare, por për shkak se shpërndarja e fushës optike mbivendoset me jouniformitetin e rajonit të varfërimit, ky efekt do të sjellë shtrembërim jolinear të rendit të dytë dhe shtrembërim intermodulues të rendit të tretë. terma, së bashku me efektin absorbues të bartësit në dritë, gjë që do të çojë në reduktimin e amplitudës së modulimit optik dhe shtrembërimit të sinjalit.

Modulatori InP ka efekte të jashtëzakonshme elektro-optike dhe struktura e pusit kuantik me shumë shtresa mund të realizojë modulatorë të tensionit të lëvizjes me shpejtësi ultra të lartë dhe të ulët me Vπ·L deri në 0,156V · mm. Megjithatë, ndryshimi i indeksit të thyerjes me fushën elektrike përfshin terma linearë dhe jolinearë, dhe rritja e intensitetit të fushës elektrike do ta bëjë të spikatur efektin e rendit të dytë. Prandaj, modulatorët elektro-optikë të silikonit dhe InP duhet të aplikojnë paragjykim për të formuar kryqëzimin pn kur punojnë, dhe kryqëzimi pn do të sjellë humbje të përthithjes në dritë. Sidoqoftë, madhësia e modulatorit të këtyre dyve është e vogël, madhësia komerciale e modulatorit InP është 1/4 e modulatorit LN. Efikasitet i lartë i modulimit, i përshtatshëm për rrjetet e transmetimit optik dixhital me densitet të lartë dhe distanca të shkurtra siç janë qendrat e të dhënave. Efekti elektro-optik i niobatit të litiumit nuk ka mekanizëm të thithjes së dritës dhe humbje të ulët, i cili është i përshtatshëm për koherente në distanca të gjata.komunikimi optikme kapacitet të madh dhe normë të lartë. Në aplikimin e fotoneve me mikrovalë, koeficientët elektro-optikë të Si dhe InP janë jolinearë, gjë që nuk është e përshtatshme për sistemin e fotoneve me mikrovalë që ndjek linearitet të lartë dhe dinamikë të madhe. Materiali i niobatit të litiumit është shumë i përshtatshëm për aplikimin e fotoneve me mikrovalë për shkak të koeficientit të tij të modulimit elektro-optik plotësisht linear.