Material de niobato de lítio de filme fino e modulador de niobato de lítio de filme fino

Vantagens e significado de niobato de lítio de filme fino em tecnologia integrada de fótons de microondas

Tecnologia de fótons de microondastem as vantagens de grande largura de banda de trabalho, forte capacidade de processamento paralelo e baixa perda de transmissão, o que tem o potencial de quebrar o gargalo técnico do sistema tradicional de microondas e melhorar o desempenho de equipamentos de informações eletrônicas militares, como radar, guerra eletrônica, comunicação e medição e controle. No entanto, o sistema de fótons de microondas baseado em dispositivos discretos tem alguns problemas, como grande volume, peso pesado e baixa estabilidade, o que restringe seriamente a aplicação da tecnologia de fótons de microondas em plataformas espaciais e transportadas pelo ar. Portanto, a tecnologia integrada de fótons de microondas está se tornando um suporte importante para quebrar a aplicação de fótons de microondas no sistema de informações eletrônicas militares e dar um jogo completo às vantagens da tecnologia de fótons de microondas.

Atualmente, a tecnologia de integração fotônica baseada em SI e a tecnologia de integração fotônica baseada em INP se tornaram cada vez mais maduras após anos de desenvolvimento no campo da comunicação óptica, e muitos produtos foram colocados no mercado. No entanto, para a aplicação de fóton de microondas, existem alguns problemas nesses dois tipos de tecnologias de integração de fótons: por exemplo, o coeficiente eletro-óptico não linear do modulador de Si e o modulador de INP é contrário à alta linearidade e grandes características dinâmicas perseguidas pela tecnologia de fótons de microondas; Por exemplo, o interruptor óptico de silício que realiza a comutação de caminho óptico, seja com base no efeito térmico óptico, efeito piezoelétrico ou efeito de dispersão de injeção de portadora, tem problemas de velocidade de comutação lenta, consumo de energia e consumo de calor, que não podem atender à varredura rápida e aplicações de microondas de grande escala de matriz.

O niobato de lítio sempre foi a primeira escolha para alta velocidademodulação eletro-ópticaMateriais devido ao seu excelente efeito eletro-óptico linear. No entanto, o tradicional lítio niobatomodulador eletro-ópticoé feito de material de cristal de niobato de lítio maciço e o tamanho do dispositivo é muito grande, o que não pode atender às necessidades da tecnologia integrada de fótons de microondas. Como integrar materiais de niobato de lítio com coeficiente eletro-óptico linear no sistema integrado de tecnologia de fótons de microondas tornou-se o objetivo dos pesquisadores relevantes. Em 2018, uma equipe de pesquisa da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, relatou pela primeira vez a tecnologia de integração fotônica baseada em niobato de lítio fino, porque a tecnologia tem as vantagens de alta integração, grande modulação eletro-óptica de largura de banda e alta linearidade fotográfica do efeito foto-óptico, que foi lançado imediatamente, a micro-atenção e a atenção acadêmica e industrial no campo no campo fotográfico. Do ponto de vista da aplicação de fótons de microondas, este artigo analisa a influência e o significado da tecnologia de integração de fótons com base no niobato de lítio de filme fino no desenvolvimento da tecnologia de fótons de microondas.

Material de niobato de lítio e filme fino e filme finoModulador de niobato de lítio
In recent two years, a new type of lithium niobate material has emerged, that is, the lithium niobate film is exfoliated from the massive lithium niobate crystal by the method of “ion slicing” and bonded to the Si wafer with a silica buffer layer to form LNOI (LiNbO3-On-Insulator) material [5], which is called thin film lithium niobate material in this paper. Os guias de onda de cume com uma altura de mais de 100 nanômetros podem ser gravados em materiais de niobato de lítio de filme fino por processo otimizado de gravação a seco, e a diferença de índice refrativo eficaz dos guias de onda formados pode atingir mais de 0,8 (muito mais alto do que a figura 1. A diferença de lítio tradicional de onda de onda de lítio de 0,02), como mostrada na figura 1. projetando o modulador. Assim, é benéfico obter menor tensão de meia onda e largura de banda de modulação maior em um comprimento mais curto.

O aparecimento de guia de onda submicron de lítio de baixa perda quebra o gargalo da alta tensão de acionamento do modulador eletro-óptico de niobato de lítio tradicional. O espaçamento do eletrodo pode ser reduzido para ~ 5 μm, e a sobreposição entre o campo elétrico e o campo do modo óptico aumenta bastante, e o Vπ · L diminui de mais de 20 V · cm para menos de 2,8 V · cm. Portanto, sob a mesma tensão de meia onda, o comprimento do dispositivo pode ser bastante reduzido em comparação com o modulador tradicional. Ao mesmo tempo, depois de otimizar os parâmetros da largura, espessura e intervalo do eletrodo de onda de viagem, como mostrado na figura, o modulador pode ter a capacidade de largura de banda de modulação ultra-alta maior que 100 GHz.

Fig.

Fig.2 （A） Guia de ondas e estrutura do eletrodo e （B vens CoreLaplet of LN Modulator

A comparação de moduladores de niobato de lítio de filme fino com moduladores comerciais tradicionais de niobato de lítio, moduladores à base de silício e moduladores de fosfido de índio (INP) e outros moduladores eletro-ópticos de alta velocidade existentes, os principais parâmetros da comparação incluem:
(1) Produto de comprimento de volta de meia onda (Vπ · L, V · cm), medindo a eficiência da modulação do modulador, menor o valor, maior a eficiência da modulação;
(2) largura de banda de modulação de 3 dB (GHz), que mede a resposta do modulador à modulação de alta frequência;
(3) perda de inserção óptica (dB) na região de modulação. Pode ser visto na tabela que o modulador de niobato de lítio de filme fino tem vantagens óbvias na largura de banda de modulação, tensão de meia onda, perda de interpolação óptica e assim por diante.

O silício, como a pedra angular da optoeletrônica integrada, foi desenvolvida até agora, o processo é maduro, sua miniaturização é propícia à integração em larga escala de dispositivos ativos/passivos, e seu modulador tem sido amplamente e profundamente estudado no campo de comunicação óptica. O mecanismo de modulação eletro-óptica do silício é principalmente deplacência portadora, injeção de transportadora e acúmulo de portador. Entre eles, a largura de banda do modulador é ideal com o mecanismo de depleção de transportador de grau linear, mas como a distribuição do campo óptico se sobrepõe à não uniformidade da região de depleção, esse efeito introduzirá a distorção não linear e a distorção e a distorção e a distorção e a distorção e a distorção da luz e a distorção da portadora.

O modulador INP tem efeitos eletro-ópticos excelentes, e a estrutura do poço quântico de várias camadas pode realizar moduladores de tensão de acionamento ultra-alta e de baixa tensão com Vπ · L até 0,156V · mm. No entanto, a variação do índice de refração com o campo elétrico inclui termos linear e não linear, e o aumento da intensidade do campo elétrico tornará o efeito de segunda ordem proeminente. Portanto, os moduladores eletro-ópticos de silício e INP precisam aplicar viés para formar a junção PN quando eles funcionarem, e a junção PN trará à luz a perda de absorção. No entanto, o tamanho do modulador desses dois é pequeno, o tamanho comercial do modulador INP é 1/4 do modulador LN. Alta eficiência de modulação, adequada para redes de transmissão óptica digital de alta densidade e curta distância, como data centers. O efeito eletro-óptico do niobato de lítio não tem mecanismo de absorção de luz e baixa perda, que é adequada para coerentes de longa distânciacomunicação ópticacom grande capacidade e alta taxa. Na aplicação de fótons de microondas, os coeficientes eletro-ópticos de Si e INP não são lineares, o que não é adequado para o sistema de fótons de microondas que busca alta linearidade e grande dinâmica. O material de niobato de lítio é muito adequado para aplicação de fótons de microondas devido ao seu coeficiente de modulação eletro-óptica completamente linear.