Ventajas e importancia del niobato de litio de película delgada en tecnología integrada de fotones de microondas
Tecnología de fotones de microondastiene las ventajas del gran ancho de banda de trabajo, la fuerte capacidad de procesamiento paralelo y la baja pérdida de transmisión, que tiene el potencial de romper el cuello de botella técnico del sistema de microondas tradicional y mejorar el rendimiento de los equipos de información electrónica militar, como el radar, la guerra electrónica, la comunicación y la medición y el control. Sin embargo, el sistema de fotones de microondas basado en dispositivos discretos tiene algunos problemas, como gran volumen, peso pesado y poca estabilidad, lo que restringe seriamente la aplicación de la tecnología de fotones de microondas en plataformas espaciales y en el aire. Por lo tanto, la tecnología integrada de fotones de microondas se está convirtiendo en un soporte importante para romper la aplicación de fotones de microondas en el sistema de información electrónica militar y dar juego completo a las ventajas de la tecnología de fotones de microondas.
En la actualidad, la tecnología de integración fotónica basada en SI y la tecnología de integración fotónica basada en INP se han vuelto cada vez más maduras después de años de desarrollo en el campo de la comunicación óptica, y se han puesto muchos productos en el mercado. Sin embargo, para la aplicación de fotones de microondas, hay algunos problemas en estos dos tipos de tecnologías de integración de fotones: por ejemplo, el coeficiente electroóptico no lineal del modulador SI y el modulador INP es contrario a la alta linealidad y las grandes características dinámicas que se realizan por tecnología de fotones de microondas; Por ejemplo, el interruptor óptico de silicio que realiza la conmutación de la ruta óptica, ya sea basada en el efecto térmico-óptico, el efecto piezoeléctrico o el efecto de dispersión de inyección de portador, tiene los problemas de velocidad de conmutación lenta, consumo de energía y consumo de calor, que no puede cumplir con las aplicaciones de escala de haz de viga rápida y aplicaciones de fotones de escala de microondas de array de gran arrawave.
Litio Niobate siempre ha sido la primera opción para la alta velocidadmodulación electroópticaMateriales debido a su excelente efecto electroóptico lineal. Sin embargo, el litio tradicional niobatomodulador electroópticoestá hecho de material de cristal de niobato de litio masivo, y el tamaño del dispositivo es muy grande, lo que no puede satisfacer las necesidades de la tecnología integrada de fotones de microondas. Cómo integrar los materiales de litio niobato con un coeficiente electroóptico lineal en el sistema integrado de tecnología de fotones de microondas se ha convertido en el objetivo de los investigadores relevantes. En 2018, un equipo de investigación de la Universidad de Harvard en los Estados Unidos informó por primera vez la tecnología de integración fotónica basada en el litio del litio de la película delgada en la naturaleza, debido a que la tecnología tiene las ventajas de una alta integración, un gran bandol de modulación electroóptica y una alta linealidad de efecto electroóptico, una vez lanzada, una vez provocó inmediatamente la atención académica e industrial en el campo de la integración fotónica y la microondas. Desde la perspectiva de la aplicación de fotones de microondas, este documento revisa la influencia y la importancia de la tecnología de integración de fotones basados en la película delgada Niobato de litio en el desarrollo de la tecnología de fotones de microondas.
Material de niobato de litio de película delgada y película delgadamodulador de niobato de litio
En los últimos dos años, ha surgido un nuevo tipo de material de niobato de litio, es decir, la película de litio niobato se exfolia del cristal de litio masivo por el método de "corte de iones" y se une al obleador SI con una capa de tampón de sílice en este papel en este papel. Las guías de onda de la cresta con una altura de más de 100 nanómetros pueden grabarse en la película delgada de litio materiales niobato mediante un proceso de grabado seco optimizado, y la diferencia efectiva del índice de refracción de las guías de onda formadas puede alcanzar más de 0.8 (mucho más alto que la diferencia de índice refractivo de la guía de onda de litio tradicional de litio de 0.02), como se muestra en la figura 1. La figura de la figura de la figura de la figura de la figura 1. campo al diseñar el modulador. Por lo tanto, es beneficioso lograr un voltaje de media onda más bajo y un mayor ancho de banda de modulación en una longitud más corta.
La aparición de la guía de onda submicrona de niobato de litio de baja pérdida rompe el cuello de botella de alto voltaje de conducción del modulador electroóptico de litio tradicional de litio. El espaciado del electrodo se puede reducir a ~ 5 μm, y la superposición entre el campo eléctrico y el campo del modo óptico aumenta considerablemente, y el Vπ · L disminuye de más de 20 v · cm a menos de 2.8 v · cm. Por lo tanto, bajo el mismo voltaje de media onda, la longitud del dispositivo puede reducirse considerablemente en comparación con el modulador tradicional. Al mismo tiempo, después de optimizar los parámetros del ancho, el grosor y el intervalo del electrodo de onda de viaje, como se muestra en la figura, el modulador puede tener la capacidad de un ancho de banda de modulación ultra alto de más de 100 GHz.
Fig.1 （A） Distribución de modo calculado y （B） Imagen de la sección transversal de la guía de onda LN
Fig.2 （A） Estructura de guía de onda y electrodo y （b） Coreplate del modulador LN
La comparación de los moduladores de niobato de litio de película delgada con moduladores comerciales tradicionales de litio niobato, moduladores basados en silicio y moduladores de fosfuro de indio (INP) y otros moduladores electroópticos de alta velocidad existentes, los principales parámetros de la comparación incluyen:
(1) producto de mediana onda del voltio (Vπ · L, V · cm), midiendo la eficiencia de modulación del modulador, cuanto menor sea el valor, mayor será la eficiencia de la modulación;
(2) ancho de banda de modulación de 3 dB (GHz), que mide la respuesta del modulador a la modulación de alta frecuencia;
(3) Pérdida de inserción óptica (DB) en la región de modulación. Se puede ver en la tabla que el modulador de niobato de litio de película delgada tiene ventajas obvias en el ancho de banda de modulación, voltaje de media onda, pérdida de interpolación óptica, etc.
El silicio, como la piedra angular de la optoelectrónica integrada, se ha desarrollado hasta ahora, el proceso es maduro, su miniaturización es propicio para la integración a gran escala de dispositivos activos/pasivos, y su modulador ha sido ampliamente estudiado en el campo de la comunicación óptica. El mecanismo de modulación electroóptica del silicio es principalmente de compensación de portadores, inyección portadora y acumulación de portador. Entre ellos, el ancho de banda del modulador es óptimo con el mecanismo de agotamiento del portador de grado lineal, pero debido a que la distribución de campo óptico se superpone con la no uniformidad de la región de agotamiento, este efecto introducirá la distorsión de segundo orden no lineal y la distorsión de la distorsión de la intermodulación de tercer orden, se acoplan con el efecto de absorción de absorción del portador sobre la luz, que conducirá a la reducción de la reducción de la reducción de la medulación.
El modulador INP tiene efectos electroópticos sobresalientes, y la estructura de pozos cuánticos de múltiples capas puede realizar moduladores de voltaje de conducción ultra alta y baja con Vπ · L de hasta 0.156V · mm. Sin embargo, la variación del índice de refracción con el campo eléctrico incluye términos lineales y no lineales, y el aumento de la intensidad del campo eléctrico hará que el efecto de segundo orden sea prominente. Por lo tanto, los moduladores electroópticos de silicio e INP deben aplicar un sesgo para formar una unión PN cuando funcionen, y la unión PN provocará la luz de la absorción. Sin embargo, el tamaño del modulador de estos dos es pequeño, el tamaño comercial del modulador INP es 1/4 del modulador LN. Alta eficiencia de modulación, adecuada para redes de transmisión óptica digital de alta densidad y corta distancia, como centros de datos. El efecto electroóptico del niobato de litio no tiene mecanismo de absorción de luz y baja pérdida, que es adecuada para larga distancia coherentecomunicación ópticacon gran capacidad y alta tasa. En la aplicación de fotones de microondas, los coeficientes electroópticos de SI e INP no son lineales, que no es adecuado para el sistema de fotones de microondas que persigue una alta linealidad y una gran dinámica. El material de niobato de litio es muy adecuado para la aplicación de fotones de microondas debido a su coeficiente de modulación electroóptica completamente lineal.
Tiempo de publicación: abril-22-2024