Vorteile und Bedeutung von Dünnschicht-Lithiumniobat in der integrierten Mikrowellen-Photonentechnologie
Mikrowellen-PhotonentechnologieDie Vorteile liegen in der großen Arbeitsbandbreite, der starken Parallelverarbeitung und den geringen Übertragungsverlusten. Dadurch können die technischen Engpässe herkömmlicher Mikrowellensysteme überwunden und die Leistung militärischer elektronischer Informationsgeräte wie Radar, elektronische Kampfführung, Kommunikation sowie Mess- und Steuerungstechnik verbessert werden. Allerdings weisen diskrete Mikrowellenphotonensysteme auch Nachteile auf, wie z. B. großes Volumen, hohes Gewicht und mangelnde Stabilität, die den Einsatz der Mikrowellenphotonentechnologie in weltraum- und luftgestützten Plattformen stark einschränken. Daher wird die integrierte Mikrowellenphotonentechnologie zu einem wichtigen Beitrag, um den Einsatz von Mikrowellenphotonen in militärischen elektronischen Informationssystemen zu fördern und die Vorteile der Mikrowellenphotonentechnologie voll auszuschöpfen.
Nach jahrelanger Entwicklung im Bereich der optischen Kommunikation sind die SI- und INP-basierte photonische Integrationstechnologie zunehmend ausgereifter, und zahlreiche Produkte wurden bereits auf den Markt gebracht. Bei der Anwendung von Mikrowellenphotonen treten jedoch einige Probleme auf: So stehen beispielsweise die nichtlinearen elektrooptischen Koeffizienten von Si- und InP-Modulatoren im Widerspruch zu den hohen Linearitäts- und Dynamikeigenschaften der Mikrowellenphotonentechnologie. Beispielsweise weist der Silizium-Lichtschalter, der die optische Pfadumschaltung realisiert, unabhängig davon, ob er auf dem thermooptischen Effekt, dem piezoelektrischen Effekt oder dem Ladungsträgerinjektionsdispersionseffekt basiert, Probleme wie langsame Schaltgeschwindigkeit, Stromverbrauch und Wärmeentwicklung auf, die für schnelle Strahlabtastung und Mikrowellenphotonenanwendungen mit großem Array-Maßstab nicht geeignet sind.
Lithiumniobat war schon immer die erste Wahl für Hochgeschwindigkeitselektrooptische ModulationMaterialien aufgrund seines hervorragenden linearen elektrooptischen Effekts. Das traditionelle Lithiumniobatelektrooptischer Modulatorbesteht aus massivem Lithiumniobat-Kristallmaterial und die Gerätegröße ist sehr groß, sodass sie den Anforderungen der integrierten Mikrowellenphotonentechnologie nicht gerecht wird. Die Integration von Lithiumniobat-Materialien mit linearem elektrooptischem Koeffizienten in das integrierte Mikrowellenphotonentechnologiesystem ist zum Ziel einschlägiger Forscher geworden. Im Jahr 2018 berichtete ein Forschungsteam der Harvard University in den USA erstmals in Nature über eine photonische Integrationstechnologie auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat. Da die Technologie die Vorteile einer hohen Integration, einer großen elektrooptischen Modulationsbandbreite und einer hohen Linearität des elektrooptischen Effekts bietet, erregte sie nach ihrer Einführung sofort die Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf dem Gebiet der photonischen Integration und Mikrowellenphotonik. Aus der Perspektive der Mikrowellenphotonenanwendung untersucht dieses Dokument den Einfluss und die Bedeutung der Photonenintegrationstechnologie auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat für die Entwicklung der Mikrowellenphotonentechnologie.
Dünnschicht-Lithiumniobatmaterial und DünnschichtLithiumniobat-Modulator
In den letzten zwei Jahren ist ein neuer Typ von Lithiumniobat-Material auf den Markt gekommen, bei dem der Lithiumniobatfilm durch die Methode des „Ionenschneidens“ von dem massiven Lithiumniobatkristall abgeblättert und über eine Siliziumdioxid-Pufferschicht mit dem Si-Wafer verbunden wird, um LNOI (LiNbO3-On-Insulator)-Material zu bilden [5], das in dieser Arbeit als Dünnschicht-Lithiumniobat-Material bezeichnet wird. Durch ein optimiertes Trockenätzverfahren können auf Dünnschicht-Lithiumniobat-Materialien über 100 Nanometer hohe Stegwellenleiter geätzt werden, und der effektive Brechungsindexunterschied der gebildeten Wellenleiter kann mehr als 0,8 erreichen (weit höher als der Brechungsindexunterschied herkömmlicher Lithiumniobat-Wellenleiter von 0,02), wie in Abbildung 1 dargestellt. Der stark eingeschränkte Wellenleiter erleichtert bei der Entwicklung des Modulators die Anpassung des Lichtfelds an das Mikrowellenfeld. Daher ist es vorteilhaft, eine niedrigere Halbwellenspannung und eine größere Modulationsbandbreite auf kürzerer Länge zu erreichen.
Die Einführung verlustarmer Lithiumniobat-Submikron-Wellenleiter überwindet den Engpass der hohen Antriebsspannung herkömmlicher elektrooptischer Lithiumniobat-Modulatoren. Der Elektrodenabstand kann auf ca. 5 μm reduziert werden, wodurch die Überlappung zwischen elektrischem und optischem Feld deutlich erhöht wird. Die vπ·L-Spannung sinkt von über 20 V·cm auf unter 2,8 V·cm. Dadurch kann die Baulänge bei gleicher Halbwellenspannung im Vergleich zum herkömmlichen Modulator deutlich reduziert werden. Gleichzeitig ermöglicht die Optimierung der Parameter Breite, Dicke und Abstand der Wanderwellenelektroden, wie in der Abbildung dargestellt, eine ultrahohe Modulationsbandbreite von über 100 GHz.
Abb. 1 (a) berechnete Modenverteilung und (b) Bild des Querschnitts des LN-Wellenleiters
Abb. 2 (a) Wellenleiter- und Elektrodenstruktur und (b) Kernplatte des LN-Modulators
Der Vergleich von Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren mit herkömmlichen kommerziellen Lithiumniobat-Modulatoren, Modulatoren auf Siliziumbasis und Indiumphosphid (InP)-Modulatoren sowie anderen vorhandenen elektrooptischen Hochgeschwindigkeitsmodulatoren umfasst die wichtigsten Parameter des Vergleichs:
(1) Halbwellen-Volt-Längen-Produkt (vπ ·L, V·cm), das die Modulationseffizienz des Modulators misst. Je kleiner der Wert, desto höher die Modulationseffizienz.
(2) 3 dB Modulationsbandbreite (GHz), die die Reaktion des Modulators auf Hochfrequenzmodulation misst;
(3) Optischer Einfügungsverlust (dB) im Modulationsbereich. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass der Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator deutliche Vorteile hinsichtlich der Modulationsbandbreite, der Halbwellenspannung, des optischen Interpolationsverlusts usw. bietet.
Silizium, der Grundstein der integrierten Optoelektronik, ist weit entwickelt, der Prozess ist ausgereift, seine Miniaturisierung fördert die Integration aktiver/passiver Bauelemente im großen Maßstab, und sein Modulator wurde im Bereich der optischen Kommunikation umfassend untersucht. Der elektrooptische Modulationsmechanismus von Silizium besteht hauptsächlich aus Trägerverarmung, Trägerinjektion und Trägerakkumulation. Die Bandbreite des Modulators ist bei linearer Trägerverarmung optimal. Da sich jedoch die optische Feldverteilung mit der Ungleichmäßigkeit der Verarmungszone überschneidet, führt dieser Effekt zu nichtlinearen Verzerrungen zweiter und dritter Ordnung bei Intermodulationsverzerrungen, gekoppelt mit der Absorptionswirkung der Träger auf das Licht, was zu einer Verringerung der optischen Modulationsamplitude und der Signalverzerrung führt.
Der InP-Modulator verfügt über hervorragende elektrooptische Effekte. Die mehrschichtige Quantentopfstruktur ermöglicht Modulatoren mit ultrahoher Rate und niedriger Ansteuerspannung mit Vπ·L bis zu 0,156 V·mm. Die Variation des Brechungsindex mit dem elektrischen Feld umfasst jedoch lineare und nichtlineare Terme, und die Zunahme der elektrischen Feldstärke führt zu einem Effekt zweiter Ordnung. Daher benötigen Silizium- und InP-elektrooptische Modulatoren im Betrieb eine Vorspannung zur Bildung eines pn-Übergangs, der zu Absorptionsverlusten des Lichts führt. Die Modulatorgröße dieser beiden ist jedoch gering; die Größe des kommerziellen InP-Modulators beträgt ein Viertel der des LN-Modulators. Hohe Modulationseffizienz, geeignet für digitale optische Übertragungsnetze mit hoher Dichte und kurzer Reichweite, wie z. B. Rechenzentren. Der elektrooptische Effekt von Lithiumniobat weist keinen Lichtabsorptionsmechanismus und geringe Verluste auf, was ihn für kohärente Übertragungen über große Entfernungen geeignet macht.optische Kommunikationmit großer Kapazität und hoher Rate. Bei Mikrowellenphotonenanwendungen sind die elektrooptischen Koeffizienten von Si und InP nichtlinear, was für Mikrowellenphotonensysteme, die hohe Linearität und hohe Dynamik erfordern, ungeeignet ist. Lithiumniobat eignet sich aufgrund seines vollständig linearen elektrooptischen Modulationskoeffizienten sehr gut für Mikrowellenphotonenanwendungen.
Veröffentlichungszeit: 22. April 2024