Ventajas e importancia del niobato de litio de película delgada en la tecnología integrada de fotones de microondas
Tecnología de fotones de microondastiene las ventajas de un gran ancho de banda de trabajo, una fuerte capacidad de procesamiento paralelo y una baja pérdida de transmisión, lo 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 radar, guerra electrónica, comunicación y medición y control. Sin embargo, el sistema de fotones de microondas basado en dispositivos discretos tiene algunos problemas, como gran volumen, peso elevado y poca estabilidad, que restringen seriamente la aplicación de la tecnología de fotones de microondas en plataformas espaciales y aéreas. Por lo tanto, la tecnología integrada de fotones de microondas se está convirtiendo en un apoyo importante para romper con la aplicación de los fotones de microondas en los sistemas de información electrónicos militares y aprovechar al máximo 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 las comunicaciones ópticas, y se han lanzado muchos productos al mercado. Sin embargo, para la aplicación de fotones de microondas, existen algunos problemas en estos dos tipos de tecnologías de integración de fotones: por ejemplo, el coeficiente electroóptico no lineal del modulador de Si y del modulador de InP es contrario a la alta linealidad y las grandes características dinámicas que persiguen las microondas. tecnología de fotones; Por ejemplo, el interruptor óptico de silicio que realiza la conmutación de ruta óptica, ya sea basado 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 pueden cumplir con los rápidos. escaneo de haz y aplicaciones de fotones de microondas a gran escala.
El niobato de litio siempre ha sido la primera opción para alta velocidad.modulación electroópticaMateriales debido a su excelente efecto electroóptico lineal. Sin embargo, el tradicional niobato de litiomodulador electroópticoEstá hecho de un 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 materiales de niobato de litio con coeficiente electroóptico lineal en el sistema integrado de tecnología de fotones de microondas se ha convertido en el objetivo de investigadores relevantes. En 2018, un equipo de investigación de la Universidad de Harvard en los Estados Unidos informó por primera vez sobre la tecnología de integración fotónica basada en niobato de litio de película delgada en la naturaleza, porque la tecnología tiene las ventajas de una alta integración, un gran ancho de banda de modulación electroóptica y una alta linealidad de la electro. -Efecto óptico, una vez lanzado, inmediatamente llamó la atención académica e industrial en el campo de la integración fotónica y la fotónica de microondas. Desde la perspectiva de la aplicación de fotones de microondas, este artículo revisa la influencia y la importancia de la tecnología de integración de fotones basada en niobato de litio de película delgada en el desarrollo de la tecnología de fotones de microondas.
Material de niobato de litio de película delgada y película delgada.modulador 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 niobato de litio se exfolia del enorme cristal de niobato de litio mediante el método de “corte de iones” y se une a la oblea de Si con una capa amortiguadora de sílice para Forme el material LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], que en este documento se denomina material de niobato de litio de película delgada. Las guías de ondas Ridge con una altura de más de 100 nanómetros se pueden grabar en materiales de niobato de litio de película delgada mediante un proceso de grabado en seco optimizado, y la diferencia de índice de refracción efectiva de las guías de ondas formadas puede alcanzar más de 0,8 (mucho más alto que la diferencia de índice de refracción de las guías de ondas tradicionales). guías de ondas de niobato de litio de 0,02), como se muestra en la Figura 1. La guía de ondas fuertemente restringida hace que sea más fácil hacer coincidir el campo de luz con el campo de microondas al diseñar el modulador. Por lo tanto, es beneficioso lograr un voltaje de media onda más bajo y un ancho de banda de modulación mayor en una longitud más corta.
La aparición de una guía de ondas submicrónica de niobato de litio de baja pérdida rompe el cuello de botella del alto voltaje de conducción del modulador electroóptico de niobato de litio tradicional. El espaciado de los electrodos 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 se puede reducir considerablemente en comparación con el modulador tradicional. Al mismo tiempo, después de optimizar los parámetros de ancho, espesor e intervalo del electrodo de onda progresiva, como se muestra en la figura, el modulador puede tener la capacidad de un ancho de banda de modulación ultra alto superior a 100 GHz.
Fig.1 (a) distribución de modo calculada e imagen (b) de la sección transversal de la guía de ondas LN
Fig.2 (a) Guía de ondas y estructura del electrodo y (b) placa central del modulador LN
En la comparación de los moduladores de niobato de litio de película delgada con los moduladores comerciales tradicionales de niobato de litio, los moduladores a base de silicio y los moduladores de fosfuro de indio (InP) y otros moduladores electroópticos de alta velocidad existentes, los principales parámetros de la comparación incluyen:
(1) Producto voltio-longitud de media onda (vπ ·L, V·cm), que mide la eficiencia de modulación del modulador, cuanto menor es el valor, mayor es la eficiencia de 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 piedra angular de la optoelectrónica integrada, se ha desarrollado hasta ahora, el proceso está maduro, su miniaturización favorece la integración a gran escala de dispositivos activos/pasivos y su modulador se ha estudiado amplia y profundamente en el campo de la óptica. comunicación. El mecanismo de modulación electroóptica del silicio es principalmente el agotamiento, la inyección y la acumulación de portadores. Entre ellos, el ancho de banda del modulador es óptimo con el mecanismo de agotamiento de la portadora de grado lineal, pero debido a que la distribución del campo óptico se superpone con la no uniformidad de la región de agotamiento, este efecto introducirá distorsión no lineal de segundo orden y distorsión de intermodulación de tercer orden. términos, junto con el efecto de absorción de la portadora sobre la luz, lo que conducirá a la reducción de la amplitud de modulación óptica y la distorsión de la señal.
El modulador InP tiene efectos electroópticos excepcionales y la estructura de pozo cuántico multicapa puede realizar moduladores de voltaje de conducción de velocidad ultra alta y bajo con Vπ · L de hasta 0,156 V · 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 necesitan aplicar polarización para formar la unión pn cuando funcionan, y la unión pn provocará una pérdida de absorción de la luz. Sin embargo, el tamaño del modulador de estos dos es pequeño, el tamaño del modulador InP comercial es 1/4 del modulador LN. Alta eficiencia de modulación, adecuado 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 tiene baja pérdida, lo que es adecuado para coherencia a larga distancia.comunicación ópticacon gran capacidad y alta tasa. En la aplicación de fotones de microondas, los coeficientes electroópticos de Si e InP son no lineales, lo que no es adecuado para el sistema de fotones de microondas que busca 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.
Hora de publicación: 22 de abril de 2024