Vorteile und Bedeutung von Dünnfilm-Lithiumniobat in der integrierten Mikrowellenphotonentechnologie
Mikrowellen-Photonen-Technologieverfügt über die Vorteile einer großen Arbeitsbandbreite, einer starken Parallelverarbeitungsfähigkeit und eines geringen Übertragungsverlusts, was das Potenzial hat, den technischen Engpass herkömmlicher Mikrowellensysteme zu überwinden und die Leistung militärischer elektronischer Informationsgeräte wie Radar, elektronische Kriegsführung, Kommunikation und Messung zu verbessern Kontrolle.Das auf diskreten Geräten basierende Mikrowellenphotonensystem weist jedoch einige Probleme auf, wie z. B. großes Volumen, hohes Gewicht und geringe Stabilität, die die Anwendung der Mikrowellenphotonentechnologie auf Plattformen im Weltraum und in der Luft erheblich einschränken.Daher wird die integrierte Mikrowellenphotonentechnologie zu einer wichtigen Unterstützung, um die Anwendung von Mikrowellenphotonen in militärischen elektronischen Informationssystemen zu unterbinden und die Vorteile der Mikrowellenphotonentechnologie voll auszuschöpfen.
Gegenwärtig sind die SI-basierte photonische Integrationstechnologie und die INP-basierte photonische Integrationstechnologie nach Jahren der Entwicklung im Bereich der optischen Kommunikation immer ausgereifter geworden und es wurden viele Produkte auf den Markt gebracht.Bei der Anwendung von Mikrowellenphotonen gibt es jedoch einige Probleme bei diesen beiden Arten von Photonenintegrationstechnologien: Beispielsweise steht der nichtlineare elektrooptische Koeffizient des Si-Modulators und des InP-Modulators im Widerspruch zu der hohen Linearität und den großen dynamischen Eigenschaften, die Mikrowellen anstreben Photonentechnologie;Beispielsweise weist der optische Siliziumschalter, der eine optische Pfadumschaltung realisiert, unabhängig davon, ob er auf einem thermisch-optischen Effekt, einem piezoelektrischen Effekt oder einem Trägerinjektionsdispersionseffekt basiert, die Probleme einer langsamen Schaltgeschwindigkeit, eines Stromverbrauchs und eines Wärmeverbrauchs auf, die dem schnellen nicht gerecht werden können Strahlabtastung und Mikrowellen-Photonenanwendungen im großen Array-Maßstab.
Lithiumniobat war schon immer die erste Wahl für hohe GeschwindigkeitenElektrooptische ModulationMaterialien aufgrund seines hervorragenden linearen elektrooptischen Effekts.Allerdings das traditionelle Lithiumniobatelektrooptischer Modulatorbesteht aus massivem Lithiumniobat-Kristallmaterial und die Gerätegröße ist sehr groß, was den Anforderungen der integrierten Mikrowellen-Photonentechnologie nicht gerecht werden kann.Die Frage, wie Lithiumniobat-Materialien mit linearem elektrooptischem Koeffizienten in das integrierte Mikrowellen-Photonen-Technologiesystem integriert werden können, ist zum Ziel einschlägiger Forscher geworden.Im Jahr 2018 berichtete ein Forschungsteam der Harvard University in den USA erstmals über die photonische Integrationstechnologie auf Basis von Dünnschicht-Lithiumniobat in Nature, da die Technologie die Vorteile einer hohen Integration, einer großen elektrooptischen Modulationsbandbreite und einer hohen Elektrolinearität aufweist -Optischer Effekt erregte nach seiner Einführung sofort akademische und industrielle Aufmerksamkeit auf dem Gebiet der photonischen Integration und der Mikrowellenphotonik.Aus der Perspektive der Mikrowellenphotonenanwendung untersucht dieser Artikel den Einfluss und die Bedeutung der Photonenintegrationstechnologie auf Basis von Dünnfilm-Lithiumniobat auf die Entwicklung der Mikrowellenphotonentechnologie.
Dünnschicht-Lithiumniobat-Material und DünnschichtLithiumniobat-Modulator
In den letzten zwei Jahren ist eine neue Art von Lithiumniobat-Material aufgetaucht, das heißt, der Lithiumniobat-Film wird durch die Methode des „Ionenschneidens“ vom massiven Lithiumniobat-Kristall abgeblättert und mit einer Siliziumdioxid-Pufferschicht an den Si-Wafer gebunden bilden LNOI-Material (LiNbO3-On-Insulator) [5], das in diesem Artikel als Dünnschicht-Lithiumniobat-Material bezeichnet wird.Ridge-Wellenleiter mit einer Höhe von mehr als 100 Nanometern können durch einen optimierten Trockenätzprozess auf Dünnschicht-Lithiumniobat-Materialien geätzt werden, und der effektive Brechungsindexunterschied der gebildeten Wellenleiter kann mehr als 0,8 erreichen (viel höher als der Brechungsindexunterschied herkömmlicher Wellenleiter). Lithiumniobat-Wellenleiter von 0,02), wie in Abbildung 1 dargestellt. Der stark eingeschränkte Wellenleiter erleichtert die Anpassung des Lichtfelds an das Mikrowellenfeld beim Entwurf des Modulators.Daher ist es vorteilhaft, eine niedrigere Halbwellenspannung und eine größere Modulationsbandbreite auf kürzerer Länge zu erreichen.
Das Erscheinen eines verlustarmen Lithiumniobat-Submikron-Wellenleiters überwindet den Engpass der hohen Antriebsspannung herkömmlicher elektrooptischer Lithiumniobat-Modulatoren.Der Elektrodenabstand kann auf ~ 5 μm reduziert werden, die Überlappung zwischen dem elektrischen Feld und dem optischen Modenfeld wird stark erhöht und vπ ·L sinkt von mehr als 20 V·cm auf weniger als 2,8 V·cm.Daher kann die Länge des Geräts bei gleicher Halbwellenspannung im Vergleich zum herkömmlichen Modulator erheblich reduziert werden.Gleichzeitig kann der Modulator nach Optimierung der Parameter Breite, Dicke und Abstand der Wanderwellenelektrode, wie in der Abbildung gezeigt, eine ultrahohe Modulationsbandbreite von mehr als 100 GHz erreichen.
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
Beim Vergleich von Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren mit herkömmlichen kommerziellen Lithiumniobat-Modulatoren, Silizium-basierten Modulatoren und Indiumphosphid-Modulatoren (InP) sowie anderen vorhandenen elektrooptischen Hochgeschwindigkeitsmodulatoren umfassen die Hauptparameter 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 geht hervor, dass der Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator offensichtliche Vorteile hinsichtlich der Modulationsbandbreite, der Halbwellenspannung, des optischen Interpolationsverlusts usw. aufweist.
Silizium als Eckpfeiler der integrierten Optoelektronik wurde bisher entwickelt, das Verfahren ist ausgereift, seine Miniaturisierung begünstigt die groß angelegte Integration aktiver/passiver Bauelemente und sein Modulator wurde im Bereich der Optik umfassend und eingehend untersucht Kommunikation.Der elektrooptische Modulationsmechanismus von Silizium besteht hauptsächlich aus Trägerverarmung, Trägerinjektion und Trägerakkumulation.Unter diesen ist die Bandbreite des Modulators mit dem Trägerverarmungsmechanismus linearen Grades optimal, aber da die optische Feldverteilung mit der Ungleichmäßigkeit des Verarmungsbereichs überlappt, führt dieser Effekt zu einer nichtlinearen Verzerrung zweiter Ordnung und einer Intermodulationsverzerrung dritter Ordnung in Verbindung mit der Absorptionswirkung des Trägers auf das Licht, was zu einer Verringerung der optischen Modulationsamplitude und der Signalverzerrung führt.
Der InP-Modulator verfügt über hervorragende elektrooptische Effekte und die mehrschichtige Quantentopfstruktur kann Modulatoren mit ultrahoher Rate und niedriger Ansteuerspannung mit Vπ·L bis zu 0,156 V · mm realisieren.Die Variation des Brechungsindex mit dem elektrischen Feld umfasst jedoch lineare und nichtlineare Terme, und die Zunahme der Intensität des elektrischen Feldes macht den Effekt zweiter Ordnung deutlicher.Daher müssen elektrooptische Silizium- und InP-Modulatoren eine Vorspannung anlegen, um einen pn-Übergang zu bilden, wenn sie funktionieren, und ein pn-Übergang führt zu Absorptionsverlusten ans Licht.Allerdings ist die Modulatorgröße dieser beiden klein, die kommerzielle InP-Modulatorgröße beträgt 1/4 der LN-Modulatorgröße.Hohe Modulationseffizienz, geeignet für digitale optische Übertragungsnetze mit hoher Dichte und kurzer Distanz, wie z. B. Rechenzentren.Der elektrooptische Effekt von Lithiumniobat weist keinen Lichtabsorptionsmechanismus und einen geringen Verlust auf, was für die Kohärenz über große Entfernungen geeignet istoptische Kommunikationmit großer Kapazität und hoher Geschwindigkeit.Bei der Mikrowellenphotonenanwendung sind die elektrooptischen Koeffizienten von Si und InP nichtlinear, was für das Mikrowellenphotonensystem, das eine hohe Linearität und große Dynamik anstrebt, nicht geeignet ist.Das Lithiumniobat-Material eignet sich aufgrund seines vollständig linearen elektrooptischen Modulationskoeffizienten sehr gut für die Anwendung von Mikrowellenphotonen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. April 2024