Vorteile und Bedeutung des Dünnfilm -Lithium -Niobat in der integrierten Mikrowellen -Photonentechnologie
Mikrowellen -PhotonentechnologieHat die Vorteile einer großen arbeitenden Bandbreite, der starken Fähigkeit zur parallelen Verarbeitung und einem geringen Übertragungsverlust, was das Potenzial hat, den technischen Engpass des herkömmlichen Mikrowellensystems zu brechen und die Leistung militärischer elektronischer Informationsgeräte wie Radar, elektronischer Krieg, Kommunikation und Messen und Kontrolle zu verbessern. Das auf diskrete Geräte basierende Mikrowellen -Photonensystem hat jedoch einige Probleme wie großes Volumen, starkes Gewicht und schlechte Stabilität, die die Anwendung der Mikrowellen -Photonentechnologie in raumgeborenen und in der Luft befindlichen Plattformen ernsthaft einschränken. Daher wird die integrierte Mikrowellen -Photonentechnologie zu einer wichtigen Unterstützung, um die Anwendung von Mikrowellen -Photon im militärischen elektronischen Informationssystem zu brechen und den Vorteilen der Mikrowellen -Photonentechnologie vollständig zu spielen.
Gegenwärtig sind die photonischen Integrationstechnologie der SI-basierten Photonischen Integration und die inP-basierte photonische Integrationstechnologie nach Jahren der Entwicklung im Bereich der optischen Kommunikation immer reifer geworden, und viele Produkte wurden auf den Markt gebracht. Für die Anwendung von Mikrowellenphoton gibt es jedoch einige Probleme in diesen beiden Arten von Photonintegrationstechnologien: Beispielsweise spielt der nichtlineare elektrooptische Koeffizient des SI-Modulators und des INP-Modulators im Gegensatz zur hohen Linearität und großen dynamischen Eigenschaften, die von der Mikrowellen-Photonen-Technologie verfolgt werden. Beispielsweise hat der optische Schalter des Siliziums, der optische Pfadumschaltung realisiert, sei es auf der Grundlage des thermischen optischen Effekts, des piezoelektrischen Effekts oder der Trägerinjektionsdispersionseffekt, die Probleme mit langsamer Schaltgeschwindigkeit, Stromverbrauch und Wärmekonsum, die nicht den Schnellstrahlenscanning und die Mikrowellen-Photon-Anwendungen der Mikrowellen von großer Array-Skala erfüllen können.
Lithium niobate war schon immer die erste Wahl für HochgeschwindigkeitElektrooptische ModulationMaterialien aufgrund seines hervorragenden linearen elektrooptischen Effekts. Das traditionelle Lithium -NiobatElektrooptischer Modulatorbesteht aus massivem Lithium -Niobat -Kristallmaterial, und die Gerätegröße ist sehr groß, was den Anforderungen der integrierten Mikrowellen -Photonen -Technologie nicht erfüllen kann. Wie man Lithium-Niobat-Materialien in den linearen elektrooptischen Koeffizienten in das integrierte Mikrowellen-Photonentechnologiesystem integriert, ist zum Ziel relevanter Forscher geworden. Im Jahr 2018 berichtete ein Forschungsteam der Harvard University in den Vereinigten Staaten erstmals über die photonische Integrationstechnologie auf der Grundlage von Dünnfilm-Lithium-Niobat in der Natur, da die Technologie die Vorteile einer hohen Integration, einer großen elektrooptischen Modulationsbandbreite und einer hohen Linearität der elektrooptischen Wirkung hat, sobald die akademische und industrielle Aufmerksamkeit auf dem Feld der Photonik auf dem Feld der photonischen Integration und der mikrowavischen Aufmerksamkeit geführt hat. Aus der Sicht der Mikrowellen -Photonenanwendung untersucht dieses Papier den Einfluss und die Bedeutung der Photon -Integrationstechnologie, die auf Dünnfilm -Lithium -Niobat auf die Entwicklung der Mikrowellen -Photonen -Technologie basiert.
Dünnfilm Lithium Niobatmaterial und dünner FilmLithium -Niobat -Modulator
In den letzten zwei Jahren ist ein neuer Typ von Lithium-Niobatmaterial entstanden, dh der Lithium-Niobat-Film wird aus dem massiven Lithium-Niobat-Kristall durch die Methode des „Ion-Schnitts“ und dem SI-Wafer mit einem Silica-Pufferschicht, das LNOI (LINBO3-On-Insulator) -Material genannt, gepeppt [5]. Ridge -Wellenleiter mit einer Höhe von mehr als 100 Nanometern können durch einen optimierten trockenen Ätzprozess auf Dünnfilm -Lithium -Niobatmaterialien geätzt werden, und der effektive Brechungsindexunterschied der gebildeten Wellenleiter können mehr als 0,8 erreichen Entwerfen des Modulators. Daher ist es vorteilhaft, eine niedrigere Halbwellenspannung und eine größere Modulationsbandbreite in kürzerer Länge zu erreichen.
Das Auftreten eines Lithium-Niobat-Submikron-Wellenleiters mit Lithium-Niobat-Wellenleiter bricht den Engpass der hohen Antriebsspannung des traditionellen Lithium-Niobat-Elektrooptikmodulators. Der Elektrodenabstand kann auf ~ 5 μm reduziert werden, und die Überlappung zwischen dem elektrischen Feld und dem optischen Modusfeld ist stark erhöht, und der vπ · l nimmt von mehr als 20 V · cm auf weniger als 2,8 V · cm ab. Daher kann unter derselben Halbwellenspannung die Länge des Geräts im Vergleich zum herkömmlichen Modulator stark reduziert werden. Gleichzeitig kann der Modulator nach der Optimierung der Parameter der Breite, der Dicke und des Intervalls der Wanderwellenelektrode, wie in der Abbildung gezeigt, die Fähigkeit einer ultrahohen Modulationsbandbreite von mehr als 100 GHz haben.
Abb.1 （A） Berechnete Modusverteilung und （B） Bild des Querschnitts von LN-Wellenleiter
Abb.2 （A） Wellenleiter und Elektrodenstruktur sowie （B） Coreplate des LN -Modulators
Der Vergleich von Dünnfilm-Lithium-Niobatmodulatoren mit traditionellen Lithium-Niobat-kommerziellen Modulatoren, Modulatoren auf Siliziumbasis und Indiumphosphid (INP) und anderen vorhandenen Hochgeschwindigkeits-Elektrooptikmodulatoren umfassen die Hauptparameter des Vergleichs:
(1) Halbwellen-Volt-Länge-Produkt (vπ · l, v · cm), Messung der Modulationseffizienz des Modulators, desto kleiner der Wert, desto höher ist die Modulationseffizienz;
(2) 3 dB-Modulationsbandbreite (GHZ), die die Reaktion des Modulators auf Hochfrequenzmodulation misst;
(3) Verlust des optischen Insertions (DB) in der Modulationsregion. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass der Dünnfilm-Lithium-Niobat-Modulator offensichtliche Vorteile in der Modulationsbandbreite, der Halbwellenspannung, des optischen Interpolationsverlusts usw. hat.
Bisher wurde Silizium als Eckpfeiler der integrierten Optoelektronik entwickelt. Der Prozess ist ausgereift, seine Miniaturisierung ist für die großflächige Integration von aktiven/passiven Geräten förderlich, und sein Modulator wurde auf dem Gebiet der optischen Kommunikation weit verbreitet und tief untersucht. Der elektrooptische Modulationsmechanismus von Silizium ist hauptsächlich die Depling der Träger, Trägerinjektion und Trägerakkumulation. Unter ihnen ist die Bandbreite des Modulators mit dem Mechanismus des linearen Gradträgers optimal, aber da sich die optische Feldverteilung mit der Ungleichmäßigkeit der Depletionsregion überlappt, führt dieser Effekt nichtlineare Verzerrung zweiter Ordnung und die Intermodulationsverzerrung der dritten Ordnung ein, die mit der Absorption der Absorption des Signals, der die Absorption der Absorption des Signals, der Signal-Modierung auf dem Signal führt, der zu einer Absorption des Signals, was zu einer Absorption des Signals, die auf die Absorption des Signals und die Verkleinerung des Signals führen wird.
Der INP-Modulator hat ausstehende elektrooptische Effekte, und die Quantenwellstruktur mit mehreren Schichten kann die ultrahoche Rate und die niedrigen Fahrspannungsmodulatoren mit bis zu 0,156 V · mm realisieren. Die Variation des Brechungsindex mit elektrischem Feld umfasst jedoch lineare und nichtlineare Begriffe, und die Zunahme der elektrischen Feldintensität wird den Effekt zweiter Ordnung hervorheben. Daher müssen Silizium- und INP-elektrooptische Modulatoren eine Verzerrung anwenden, um PN-Übergang zu bilden, wenn sie arbeiten, und PN-Übergang wird den Absorptionsverlust auf Licht bringen. Die Modulatorgröße dieser beiden ist jedoch gering, die Größe des kommerziellen INP -Modulators beträgt 1/4 des LN -Modulators. Hohe Modulationseffizienz, geeignet für digitale optische Übertragungsnetzwerke mit hoher Dichte und kurzer Entfernung. Die elektrooptische Wirkung von Lithium-Niobat hat keinen leichten Absorptionsmechanismus und einen geringen Verlust, der für lange Entfernungen kohärent geeignet istoptische Kommunikationmit großer Kapazität und hoher Rate. In der Mikrowellen-Photonenanwendung sind die elektrooptischen Koeffizienten von Si und INP nichtlinear, was nicht für das Mikrowellen-Photonensystem geeignet ist, das eine hohe Linearität und große Dynamik verfolgt. Das Lithium-Niobat-Material ist aufgrund seines vollständig linearen elektrooptischen Modulationskoeffizienten sehr geeignet für die Mikrowellenphotonenanwendung.
Postzeit: Apr-22-2024