Материјал од тенок филм литиум ниобат и тенок филм литиум ниобат модулатор

Предности и значење на литиум ниобат со тенок филм во интегрираната микробранова фотонска технологија

Технологија на микробранови фотониги има предностите на големиот работен опсег, силната способност за паралелна обработка и ниската загуба на пренос, што има потенцијал да го скрши техничкото тесно грло на традиционалниот микробранови систем и да ги подобри перформансите на воената електронска информациска опрема како радар, електронско војување, комуникација и мерење и контрола. Сепак, системот за микробранови фотони базиран на дискретни уреди има некои проблеми како што се голем волумен, голема тежина и слаба стабилност, кои сериозно ја ограничуваат примената на технологијата за микробранови фотони во вселенските и воздушните платформи. Затоа, интегрираната технологија на микробранови фотони станува важна поддршка за да се прекине примената на микробрановиот фотон во воениот електронски информациски систем и да се даде целосна игра на предностите на технологијата на микробранови фотони.

Во моментов, технологијата за фотонска интеграција базирана на SI и технологијата за фотонска интеграција базирана на INP стануваат сè позрели по години на развој во областа на оптичката комуникација и многу производи се пуштени на пазарот. Сепак, за примената на микробрановиот фотон, постојат некои проблеми во овие два вида технологии за интеграција на фотони: на пример, нелинеарниот електрооптички коефициент на модулаторот Si и модулаторот InP е спротивен на високата линеарност и големите динамички карактеристики што ги следи микробрановата фотонска технологија; На пример, силиконскиот оптички прекинувач што реализира префрлување на оптичката патека, без разлика дали се заснова на термичко-оптички ефект, пиезоелектричен ефект или ефект на дисперзија на вбризгување на носачот, има проблеми со бавната брзина на префрлување, потрошувачката на енергија и потрошувачката на топлина, што не може да го исполни брзиот скенирање со зрак и апликации со микробранови фотони со големи размери.

Литиум ниобат отсекогаш бил првиот избор за голема брзинаелектро-оптичка модулацијаматеријали поради одличниот линеарен електрооптички ефект. Сепак, традиционалниот литиум ниобателектро-оптички модулаторе направен од масивен литиум ниобат кристален материјал, а големината на уредот е многу голема, што не може да ги задоволи потребите на интегрираната микробранова фотонска технологија. Како да се интегрираат материјалите од литиум ниобат со линеарен електрооптички коефициент во интегрираниот систем на технологија за микробранови фотони стана цел на релевантните истражувачи. Во 2018 година, истражувачки тим од Универзитетот Харвард во Соединетите држави прв ја пријави технологијата на фотонска интеграција заснована на тенок филм литиум ниобат во природата, бидејќи технологијата ги има предностите на висока интеграција, голем пропусен опсег на електро-оптичка модулација и висока линеарност на електро -оптичкиот ефект, откако беше лансиран, веднаш предизвика академско и индустриско внимание во областа на фотонската интеграција и микробранова фотоника. Од гледна точка на примена на микробранови фотони, овој труд го разгледува влијанието и значењето на технологијата за интеграција на фотони базирана на литиум ниобат со тенок филм врз развојот на технологијата на микробранови фотони.

Материјал од тенок филм литиум ниобат и тенок филммодулатор на литиум ниобат
Во последниве две години, се појави нов тип на литиум ниобат материјал, односно, литиум ниобатната фолија е ексфолирана од масивниот кристал на литиум ниобат со методот на „јонско сечење“ и се врзува за нафората Si со силика пуфер за формираат LNOI (LiNbO3-On-Изолатор) материјал [5], кој во овој труд се нарекува материјал од тенок филм литиум ниобат. Брановидните водичи со висина од повеќе од 100 нанометри може да се гравираат на материјали од литиум ниобат со тенок филм со оптимизиран процес на суво офорт, а ефективната разлика во индексот на прекршување на формираните брановоди може да достигне повеќе од 0,8 (далеку повисока од разликата во индексот на рефракција на традиционалните брановоди на литиум ниобат од 0,02), како што е прикажано на слика 1. Силно ограничениот брановоди го олеснува усогласувањето на светлосното поле со микробрановото поле при дизајнирање на модулаторот. Така, корисно е да се постигне понизок полубранов напон и поголема модулациска ширина на опсег во помала должина.

Појавата на субмикронски брановодни водич со литиум ниобат со мала загуба го крши тесното грло на високиот погонски напон на традиционалниот електрооптички модулатор на литиум ниобат. Растојанието на електродите може да се намали на ~ 5 μm, а преклопувањето помеѓу електричното поле и полето на оптичкиот режим е значително зголемено, а vπ ·L се намалува од повеќе од 20 V·cm на помалку од 2,8 V·cm. Затоа, под истиот напон од полубранови, должината на уредот може значително да се намали во споредба со традиционалниот модулатор. Во исто време, по оптимизирање на параметрите на ширината, дебелината и интервалот на електродата на патувачкиот бран, како што е прикажано на сликата, модулаторот може да има способност за ултра-висока модулациска ширина на опсег поголема од 100 GHz.

Сл. 1 (а) пресметана распределба на режимот и (б) слика на пресекот на брановодот LN

Сл. 2 (а) Брановодка и структура на електрода и (б) склоп на LN модулаторот

Споредбата на модулаторите на литиум ниобат со тенок филм со традиционалните комерцијални модулатори на литиум ниобат, модулаторите базирани на силикон и модулаторите на индиум фосфид (InP) и други постоечки електро-оптички модулатори со голема брзина, главните параметри на споредбата вклучуваат:
(1) Производ со должина на полубранови волти (vπ ·L, V·cm), мерејќи ја ефикасноста на модулацијата на модулаторот, колку е помала вредноста, толку е поголема ефикасноста на модулацијата;
(2) 3 dB модулациски пропусен опсег (GHz), кој го мери одговорот на модулаторот на модулација со висока фреквенција;
(3) Загуба на оптичко вметнување (dB) во областа на модулацијата. Од табелата може да се види дека модулаторот на литиум ниобат со тенок филм има очигледни предности во пропусниот опсег на модулација, полубрановиот напон, загубата на оптичка интерполација и така натаму.

Силиконот, како камен-темелник на интегрираната оптоелектроника, досега е развиен, процесот е зрел, неговата минијатуризација е погодна за голема интеграција на активни/пасивни уреди, а неговиот модулатор е широко и длабоко проучен во областа на оптичката комуникација. Механизмот за електрооптичка модулација на силициумот е главно намалување на носачот, вбризгување на носачот и акумулација на носач. Меѓу нив, пропусниот опсег на модулаторот е оптимален со механизмот за исцрпување на носителот на линеарен степен, но бидејќи распределбата на оптичкото поле се преклопува со нерамномерноста на регионот на исцрпување, овој ефект ќе воведе нелинеарно изобличување од втор ред и интермодулациско изобличување од трет ред термини, заедно со ефектот на апсорпција на носачот на светлината, што ќе доведе до намалување на амплитудата на оптичката модулација и нарушување на сигналот.

Модулаторот InP има извонредни електро-оптички ефекти, а повеќеслојната структура на квантниот бунар може да реализира модулатори на ултра-висока брзина и низок напон на возење со Vπ·L до 0,156V · mm. Меѓутоа, варијацијата на индексот на прекршување со електричното поле вклучува линеарни и нелинеарни членови, а зголемувањето на интензитетот на електричното поле ќе го направи ефектот од втор ред истакнат. Затоа, силициумските и електрооптичките модулатори InP треба да применат пристрасност за да формираат pn спој кога работат, а pn спојот ќе донесе загуба на апсорпција на светлина. Сепак, големината на модулаторот на овие два е мала, комерцијалната големина на модулаторот InP е 1/4 од LN модулаторот. Висока ефикасност на модулацијата, погодна за дигитални оптички преносни мрежи со висока густина и на кратко растојание, како што се центрите за податоци. Електрооптичкиот ефект на литиум ниобат нема механизам за апсорпција на светлина и ниска загуба, што е погодно за кохерентни на долги растојанијаоптичка комуникацијасо голем капацитет и висока стапка. Во апликацијата за микробранови фотони, електрооптичките коефициенти на Si и InP се нелинеарни, што не е погодно за микробрановиот фотонски систем кој има висока линеарност и голема динамика. Материјалот од литиум ниобат е многу погоден за примена на микробранови фотони поради неговиот целосно линеарен коефициент на електро-оптичка модулација.