Тенкофилмски литиум ниобатен материјал и тенкофилмски литиум ниобатен модулатор

Предности и значење на тенкофилмскиот литиум ниобат во интегрираната микробранова фотонска технологија

Технологија на микробранови фотониИма предности како што се голем работен пропусен опсег, силна способност за паралелно процесирање и мали загуби во преносот, што има потенцијал да го скрши тесното грло на традиционалниот микробранов систем и да ги подобри перформансите на воената електронска информатичка опрема како што се радарот, електронското војување, комуникацијата и мерењето и контролата. Сепак, микробрановиот фотонски систем базиран на дискретни уреди има некои проблеми како што се голем волумен, голема тежина и слаба стабилност, што сериозно ја ограничува примената на микробрановата фотонска технологија на вселенските и воздушните платформи. Затоа, интегрираната микробранова фотонска технологија станува важна поддршка за скршнување на примената на микробрановата фотонска технологија во воениот електронски информативен систем и целосно искористување на предностите на микробрановата фотонска технологија.

Во моментов, технологијата за фотонска интеграција базирана на SI и технологијата за фотонска интеграција базирана на INP стануваат сè позрели по години развој во областа на оптичките комуникации, и многу производи се пуштени на пазарот. Сепак, за примена на микробранови фотони, постојат некои проблеми кај овие два вида технологии за фотонска интеграција: на пример, нелинеарниот електрооптички коефициент на Si модулаторот и InP модулаторот е спротивен на високата линеарност и големите динамички карактеристики што ги постигнува микробрановата фотонска технологија; На пример, силиконскиот оптички прекинувач што реализира префрлување на оптички патеки, без разлика дали се базира на термичко-оптички ефект, пиезоелектричен ефект или ефект на дисперзија на вбризгување на носител, има проблеми со бавна брзина на префрлување, потрошувачка на енергија и потрошувачка на топлина, што не може да ги задоволи апликациите за брзо скенирање на зраци и апликации за микробранови фотони со голема скала.

Литиум ниобатот отсекогаш бил прв избор за голема брзинаелектро-оптичка модулацијаматеријали поради неговиот одличен линеарен електро-оптички ефект. Сепак, традиционалниот литиум ниобателектрооптички модулаторе направен од масивен кристален материјал од литиум ниобат, а големината на уредот е многу голема, што не може да ги задоволи потребите на интегрираната микробранова фотонска технологија. Како да се интегрираат литиум ниобатни материјали со линеарен електрооптички коефициент во интегрираниот систем за микробранова фотонска технологија стана цел на релевантните истражувачи. Во 2018 година, истражувачки тим од Универзитетот Харвард во Соединетите Американски Држави првпат ја објави технологијата за фотонска интеграција базирана на тенок филмски литиум ниобат во природата, бидејќи технологијата има предности на висока интеграција, голем електрооптички пропусен опсег на модулација и висока линеарност на електрооптичкиот ефект, штом беше лансирана, веднаш предизвика академско и индустриско внимание во областа на фотонската интеграција и микробрановата фотоника. Од перспектива на примената на микробранови фотони, овој труд го разгледува влијанието и значењето на технологијата за интеграција на фотони базирана на тенок филмски литиум ниобат врз развојот на микробрановата фотонска технологија.

Тенкофилмски литиум ниобатен материјал и тенок филмлитиум ниобат модулатор
Во последните две години, се појави нов вид на литиум ниобатен материјал, односно филмот од литиум ниобат се ексфолира од масивниот кристал на литиум ниобат со метод на „јонско сечење“ и се врзува за Si плочката со силициумски пуферски слој за да се формира LNOI (LiNbO3-On-Insulator) материјал [5], кој во овој труд се нарекува тенкофилмен литиум ниобатен материјал. Гребестите брановиди со висина од повеќе од 100 нанометри можат да се гравираат на тенкофилмни литиум ниобатни материјали со оптимизиран процес на суво гравирање, а ефективната разлика во индексот на прекршување на формираните брановиди може да достигне повеќе од 0,8 (далеку повисока од разликата во индексот на прекршување на традиционалните литиум ниобатни брановиди од 0,02), како што е прикажано на Слика 1. Силно ограничениот брановид го олеснува усогласувањето на светлосното поле со микробрановото поле при дизајнирање на модулаторот. Така, корисно е да се постигне помал полубранов напон и поголем пропусен опсег на модулација со пократка должина.

Појавата на субмикронски брановоден систем од литиум ниобат со ниски загуби го прекинува тесното грло на високиот напон на традиционалниот електрооптички модулатор од литиум ниобат. Растојанието помеѓу 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 ист полубранов напон, 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 висок пропусен опсег на модулација поголем од 100 GHz.

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

Сл. 2 (а) Структура на брановодот и електродата и (б) јадро на LN модулаторот

Споредбата на тенкофилмските литиум ниобатни модулатори со традиционалните комерцијални литиум ниобатни модулатори, модулатори на база на силициум и модулатори на индиум фосфид (InP) и други постоечки високобрзински електрооптички модулатори, главните параметри на споредбата вклучуваат:
(1) Производ на полубранова волтна должина (vπ · L, V · cm), кој ја мери ефикасноста на модулацијата на модулаторот, колку е помала вредноста, толку е поголема ефикасноста на модулацијата;
(2) пропусен опсег на модулација од 3 dB (GHz), кој го мери одговорот на модулаторот на високофреквентна модулација;
(3) Оптичка загуба на вметнување (dB) во модулациската област. Од табелата може да се види дека тенкофилмскиот литиум ниобатен модулатор има очигледни предности во модулацискиот пропусен опсег, полубрановиот напон, загубата на оптичка интерполација и така натаму.

Силициумот, како камен-темелник на интегрираната оптоелектроника, е досега развиен, процесот е зрел, неговата минијатуризација е погодна за интеграција на активни/пасивни уреди во голем обем, а неговиот модулатор е широко и длабоко проучен во областа на оптичката комуникација. Механизмот на електрооптичка модулација на силициумот е главно осиромашување на носителите, вбризгување на носители и акумулација на носители. Меѓу нив, пропусниот опсег на модулаторот е оптимален со линеарен механизам на осиромашување на носителите, но бидејќи распределбата на оптичкото поле се преклопува со нерамномерноста на регионот на осиромашување, овој ефект ќе воведе нелинеарна дисторзија од втор ред и интермодулациска дисторзија од трет ред, заедно со ефектот на апсорпција на носителот врз светлината, што ќе доведе до намалување на амплитудата на оптичката модулација и дисторзијата на сигналот.

InP модулаторот има извонредни електрооптички ефекти, а повеќеслојната квантна структура може да реализира модулатори со ултра-висока брзина и низок напон на возење со Vπ·L до 0,156V·mm. Сепак, 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, силиконските и InP електрооптичките модулатори треба да применат поларизација за да формираат pn спој кога работат, а pn спојот ќе донесе загуба на апсорпција кон светлината. Сепак, големината на модулаторот кај овие два е мала, комерцијалната големина на InP модулаторот е 1/4 од LN модулаторот. Висока ефикасност на модулација, погодна за дигитални оптички преносни мрежи со висока густина и кратки растојанија, како што се центрите за податоци. Електрооптичкиот ефект на литиум ниобат нема механизам за апсорпција на светлина и има мали загуби, што е погодно за кохерентни мрежи на долги растојанија.оптичка комуникацијасо голем капацитет и висока брзина. Во примената на микробранови фотони, електрооптичките коефициенти на Si и InP се нелинеарни, што не е погодно за микробрановиот фотонски систем кој се стреми кон висока линеарност и голема динамика. Материјалот од литиум ниобат е многу погоден за примена на микробранови фотони поради неговиот целосно линеарен коефициент на електрооптичка модулација.