Vorteile und Bedeutung von Lithiumniobat-Dünnschichten in der integrierten Mikrowellenphotonentechnologie
MikrowellenphotonentechnologieDie Mikrowellenphotonentechnologie bietet Vorteile wie große Arbeitsbandbreite, hohe Parallelverarbeitungsfähigkeit und geringe Übertragungsverluste. Dadurch kann sie die technischen Grenzen traditioneller Mikrowellensysteme überwinden und die Leistung militärischer elektronischer Informationssysteme wie Radar, elektronische Kampfführung, Kommunikation sowie Mess- und Steuerungssysteme verbessern. Allerdings weisen Mikrowellenphotonensysteme auf Basis diskreter Bauelemente Nachteile wie großes Volumen, hohes Gewicht und geringe Stabilität auf, die ihren Einsatz in raum- und luftgestützten Plattformen stark einschränken. Integrierte Mikrowellenphotonentechnologie ist daher ein wichtiger Baustein, um den Einsatz von Mikrowellenphotonen in militärischen elektronischen Informationssystemen voranzutreiben und deren Vorteile voll auszuschöpfen.
Inzwischen sind Silizium-basierte und Indium-Nanopartikel-basierte photonische Integrationstechnologien nach jahrelanger Entwicklung im Bereich der optischen Kommunikation immer ausgereifter geworden, und zahlreiche Produkte sind bereits auf dem Markt. Für die Anwendung in der Mikrowellenphotonik bestehen jedoch einige Probleme dieser beiden Technologien: Beispielsweise steht der nichtlineare elektrooptische Koeffizient von Silizium- und Indium-Nanopartikel-Modulatoren im Widerspruch zu den für die Mikrowellenphotonik erforderlichen hohen Linearitäts- und Dynamikeigenschaften. So weisen beispielsweise optische Siliziumschalter, die optische Pfadumschaltungen realisieren – unabhängig davon, ob sie auf thermooptischen, piezoelektrischen oder Dispersionseffekten basieren –, Probleme hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit, Leistungs- und Wärmeentwicklung auf und sind daher für Anwendungen mit schneller Strahlabtastung und großflächigen Mikrowellenphotonik-Arrays ungeeignet.
Lithiumniobat war schon immer die erste Wahl für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.elektrooptische ModulationMaterialien aufgrund ihres ausgezeichneten linearen elektrooptischen Effekts. Das traditionelle Lithiumniobat jedochelektrooptischer ModulatorHergestellt aus massivem Lithiumniobat-Kristallmaterial, ist die Bauelementgröße sehr groß und erfüllt daher nicht die Anforderungen der integrierten Mikrowellenphotonik. Die Integration von Lithiumniobat-Materialien mit linearem elektrooptischem Koeffizienten in integrierte Mikrowellenphotoniksysteme ist daher ein zentrales Forschungsziel. Im Jahr 2018 berichtete ein Forschungsteam der Harvard University in den USA erstmals in Nature über eine photonische Integrationstechnologie auf Basis von Lithiumniobat-Dünnschichten. Aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Integration, großer elektrooptischer Modulationsbandbreite und hoher Linearität des elektrooptischen Effekts erregte diese Technologie unmittelbar nach ihrer Veröffentlichung großes akademisches und industrielles Interesse im Bereich der photonischen Integration und Mikrowellenphotonik. Aus Sicht der Mikrowellenphotonik-Anwendung untersucht dieser Artikel den Einfluss und die Bedeutung der photonischen Integrationstechnologie auf Basis von Lithiumniobat-Dünnschichten für die Entwicklung der Mikrowellenphotonik.
Dünnschicht-Lithiumniobatmaterial und DünnschichtLithiumniobat-Modulator
In den letzten zwei Jahren wurde ein neuartiges Lithiumniobat-Material entwickelt. Dabei wird ein Lithiumniobat-Film mittels Ionen-Slicing von einem massiven Lithiumniobat-Kristall abgelöst und mit einer Siliziumdioxid-Pufferschicht auf ein Siliziumwafer gebunden. So entsteht LNOI (LiNbO₃-auf-Isolator) [5], im Folgenden als Dünnschicht-Lithiumniobat-Material bezeichnet. Durch optimierte Trockenätzverfahren lassen sich in Dünnschicht-Lithiumniobat-Materialien Wellenleiter mit einer Höhe von über 100 Nanometern einätzen. Die effektive Brechungsindexdifferenz der so erzeugten Wellenleiter erreicht über 0,8 (deutlich höher als die Brechungsindexdifferenz herkömmlicher Lithiumniobat-Wellenleiter von 0,02), wie in Abbildung 1 dargestellt. Die stark eingeschränkte Wellenleiterstruktur erleichtert die Anpassung des Lichtfelds an das Mikrowellenfeld beim Entwurf des Modulators. Dies ermöglicht niedrigere Halbwellenspannungen und größere Modulationsbandbreiten bei kürzerer Baulänge.
Die Entwicklung verlustarmer Lithiumniobat-Submikron-Wellenleiter überwindet die Einschränkung herkömmlicher elektrooptischer Lithiumniobat-Modulatoren hinsichtlich der hohen Ansteuerspannung. Der Elektrodenabstand kann auf ca. 5 μm reduziert werden, die Überlappung zwischen elektrischem Feld und optischem Modenfeld wird deutlich erhöht und die Feldstärke vπ · L sinkt von über 20 V·cm auf unter 2,8 V·cm. Dadurch lässt sich die Bauelementlänge bei gleicher Halbwellenspannung im Vergleich zu herkömmlichen Modulatoren erheblich reduzieren. Durch Optimierung der Parameter Breite, Dicke und Abstand der Wanderwellenelektroden (siehe Abbildung) erreicht der Modulator zudem eine extrem hohe 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 Lithiumniobat-Dünnschichtmodulatoren mit herkömmlichen kommerziellen Lithiumniobat-Modulatoren, Silizium-basierten Modulatoren und Indiumphosphid (InP)-Modulatoren sowie anderen existierenden elektrooptischen Hochgeschwindigkeitsmodulatoren umfasst folgende Hauptparameter:
(1) Halbwellen-Spannungs-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) Optische Einfügungsdämpfung (dB) im Modulationsbereich. Aus der Tabelle geht hervor, dass Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren deutliche Vorteile hinsichtlich Modulationsbandbreite, Halbwellenspannung, optischer Interpolationsdämpfung usw. aufweisen.
Silizium, als Grundpfeiler der integrierten Optoelektronik, ist weit entwickelt, die Herstellungsprozesse sind ausgereift, seine Miniaturisierung begünstigt die großflächige Integration aktiver und passiver Bauelemente, und seine Modulatoren wurden im Bereich der optischen Kommunikation umfassend und intensiv erforscht. Der elektrooptische Modulationsmechanismus von Silizium beruht hauptsächlich auf Ladungsträgerverarmung, -injektion und -akkumulation. Die Bandbreite des Modulators ist bei linearer Ladungsträgerverarmung optimal. Da sich die optische Feldverteilung jedoch mit der Inhomogenität der Verarmungszone überlagert, führt dies zu nichtlinearen Verzerrungen zweiter und dritter Ordnung sowie zu Intermodulationsverzerrungen. In Verbindung mit der Absorption des Lichts durch die Ladungsträger führt dies zu einer Reduzierung der optischen Modulationsamplitude und zu Signalverzerrungen.
Der InP-Modulator zeichnet sich durch hervorragende elektrooptische Eigenschaften aus. Die mehrlagige Quantenstruktur ermöglicht Modulatoren mit extrem hohen Raten und niedriger Ansteuerspannung (Vπ·L bis zu 0,156 V·mm). Die Änderung des Brechungsindex mit dem elektrischen Feld beinhaltet jedoch lineare und nichtlineare Terme, und mit zunehmender Feldstärke tritt der Effekt zweiter Ordnung deutlich hervor. Daher benötigen Silizium- und InP-Modulatoren im Betrieb eine Vorspannung zur Ausbildung eines pn-Übergangs, der zu Absorptionsverlusten führt. Die Modulatoren beider Materialien sind jedoch klein; ein kommerzieller InP-Modulator ist nur ein Viertel so groß wie ein LN-Modulator. Dank ihrer hohen Modulationseffizienz eignen sie sich für digitale optische Übertragungsnetze mit hoher Dichte und kurzen Distanzen, wie sie beispielsweise in Rechenzentren vorkommen. Lithiumniobat hingegen weist keine Lichtabsorption und geringe Verluste auf und ist daher für kohärente Übertragungen über große Entfernungen geeignet.optische KommunikationSilizium und Indiumphosphid (InP) zeichnen sich durch hohe Kapazität und schnelle Lade-/Entladezeiten aus. Im Bereich der Mikrowellenphotonik sind die elektrooptischen Koeffizienten von Silizium und Indiumphosphid nichtlinear, was für Systeme mit hohen Anforderungen an Linearität und Dynamik ungeeignet ist. Lithiumniobat hingegen ist aufgrund seines vollständig linearen elektrooptischen Modulationskoeffizienten hervorragend für Mikrowellenphotonik geeignet.
Veröffentlichungsdatum: 22. April 2024