İncə film litium niobat materialı və nazik film litium niobat modulatoru

İnteqrasiya edilmiş mikrodalğalı foton texnologiyasında nazik film litium niobatın üstünlükləri və əhəmiyyəti

Mikrodalğalı foton texnologiyasıƏnənəvi mikrodalğalı sistemin texniki darboğazını qırmaq və radar, elektron müharibə, rabitə və ölçmə kimi hərbi elektron informasiya avadanlıqlarının işini yaxşılaşdırmaq potensialına malik olan böyük iş bant genişliyi, güclü paralel emal qabiliyyəti və aşağı ötürmə itkisi üstünlüklərinə malikdir. nəzarət. Bununla belə, diskret cihazlara əsaslanan mikrodalğalı foton sistemi böyük həcm, ağır çəki və zəif sabitlik kimi bəzi problemlərə malikdir ki, bu da mikrodalğalı foton texnologiyasının kosmos və hava platformalarında tətbiqini ciddi şəkildə məhdudlaşdırır. Buna görə inteqrasiya olunmuş mikrodalğalı foton texnologiyası hərbi elektron informasiya sistemində mikrodalğalı fotonun tətbiqini pozmaq və mikrodalğalı foton texnologiyasının üstünlüklərinə tam oyun vermək üçün vacib bir dəstəyə çevrilir.

Hal-hazırda, SI əsaslı fotonik inteqrasiya texnologiyası və INP əsaslı fotonik inteqrasiya texnologiyası optik rabitə sahəsində illərlə inkişaf etdikdən sonra getdikcə daha yetkinləşdi və bir çox məhsul bazara çıxarıldı. Bununla birlikdə, mikrodalğalı fotonların tətbiqi üçün bu iki növ foton inteqrasiya texnologiyasında bəzi problemlər var: məsələn, Si modulyatorunun və InP modulatorunun qeyri-xətti elektro-optik əmsalı mikrodalğalı sobanın izlədiyi yüksək xətti və böyük dinamik xüsusiyyətlərinə ziddir. foton texnologiyası; Məsələn, termal-optik effektə, piezoelektrik effektə və ya daşıyıcı inyeksiya dispersiya effektinə əsaslanaraq, optik yolun dəyişdirilməsini həyata keçirən silikon optik açar, sürəti qarşılaya bilməyən yavaş keçid sürəti, enerji istehlakı və istilik istehlakı problemlərinə malikdir. şüa taraması və geniş miqyaslı mikrodalğalı foton tətbiqləri.

Litium niobat həmişə yüksək sürət üçün ilk seçim olmuşdurelektro-optik modulyasiyaəla xətti elektro-optik effektinə görə materiallar. Ancaq ənənəvi litium niobatelektro-optik modulyatorkütləvi litium niobat kristal materialdan hazırlanmışdır və cihazın ölçüsü çox böyükdür, bu da inteqrasiya olunmuş mikrodalğalı foton texnologiyasının ehtiyaclarını ödəyə bilməz. Xətti elektro-optik əmsalı olan litium niobat materiallarını inteqrasiya olunmuş mikrodalğalı foton texnologiyası sisteminə necə inteqrasiya etmək müvafiq tədqiqatçıların məqsədinə çevrilmişdir. 2018-ci ildə ABŞ-ın Harvard Universitetindən bir tədqiqat qrupu ilk dəfə Təbiətdə nazik film litium niobat əsasında fotonik inteqrasiya texnologiyası haqqında məlumat verdi, çünki texnologiya yüksək inteqrasiya, böyük elektro-optik modulyasiya bant genişliyi və elektroelektrik xəttin yüksək xətti üstünlüklərinə malikdir. -Optik effekt, işə salındıqdan sonra dərhal fotonik inteqrasiya və mikrodalğalı fotonika sahəsində akademik və sənaye diqqətini cəlb etdi. Mikrodalğalı foton tətbiqi nöqteyi-nəzərindən bu məqalə mikrodalğalı foton texnologiyasının inkişafına nazik film litium niobat əsasında foton inteqrasiyası texnologiyasının təsirini və əhəmiyyətini nəzərdən keçirir.

İncə film litium niobat materialı və nazik filmlitium niobat modulyatoru
Son iki ildə yeni bir növ litium niobat materialı ortaya çıxdı, yəni litium niobat filmi kütləvi litium niobat kristalından “ion dilimləmə” üsulu ilə aşındırılır və silisium tampon təbəqəsi ilə Si vaflisinə bağlanır. LNOI (LiNbO3-On-İzolyator) materialını təşkil edir [5] ki, bu yazıda nazik təbəqə litium niobat materialı adlanır. Hündürlüyü 100 nanometrdən çox olan silsilə dalğa qurğuları optimallaşdırılmış quru aşındırma prosesi ilə nazik təbəqəli litium niobat materiallarına həkk oluna bilər və əmələ gələn dalğa bələdçilərinin effektiv sındırma indeksi fərqi 0,8-dən çox ola bilər (ənənəvi sındırma indeksi fərqindən xeyli yüksəkdir). Şəkil 1-də göstərildiyi kimi litium niobat dalğa ötürücüləri 0,02). Güclü şəkildə məhdudlaşdırılmış dalğa ötürücü modulatoru dizayn edərkən işıq sahəsini mikrodalğalı sahə ilə uyğunlaşdırmağı asanlaşdırır. Beləliklə, daha qısa uzunluqda daha aşağı yarımdalğalı gərginliyə və daha böyük modulyasiya bant genişliyinə nail olmaq faydalıdır.

Aşağı itkili litium niobat submikron dalğa bələdçisinin görünüşü ənənəvi litium niobat elektro-optik modulyatorun yüksək hərəkət gərginliyinin darboğazını pozur. Elektrod məsafəsi ~ 5 μm-ə qədər azaldıla bilər və elektrik sahəsi ilə optik rejim sahəsi arasında üst-üstə düşmə böyük dərəcədə artır və vπ ·L 20 V·sm-dən 2,8 V·sm-dən aşağı düşür. Buna görə də, eyni yarım dalğa gərginliyi altında cihazın uzunluğu ənənəvi modulyatorla müqayisədə xeyli azaldıla bilər. Eyni zamanda, şəkildə göstərildiyi kimi hərəkət edən dalğa elektrodunun eni, qalınlığı və intervalının parametrlərini optimallaşdırdıqdan sonra modulyator 100 GHz-dən çox ultra yüksək modulyasiya bant genişliyi qabiliyyətinə malik ola bilər.

Şəkil 1 （a） hesablanmış rejim paylanması və （b） LN dalğa ötürücüsünün en kəsiyinin təsviri

Şəkil 2 （a） Dalğa ötürücü və elektrod quruluşu və LN modulyatorunun （b） əsas lövhəsi

İncə film litium niobat modulatorlarının ənənəvi litium niobat kommersiya modulyatorları, silikon əsaslı modulyatorlar və indium fosfid (InP) modulyatorları və digər mövcud yüksək sürətli elektro-optik modulyatorlarla müqayisəsi, müqayisənin əsas parametrlərinə aşağıdakılar daxildir:
(1) Modulyatorun modulyasiya səmərəliliyini ölçən yarımdalğalı volt uzunluğunun məhsulu (vπ ·L, V·cm), dəyər nə qədər kiçik olarsa, modulyasiya səmərəliliyi bir o qədər yüksəkdir;
(2) modulyatorun yüksək tezlikli modulyasiyaya reaksiyasını ölçən 3 dB modulyasiya bant genişliyi (GHz);
(3) Modulyasiya bölgəsində optik daxiletmə itkisi (dB). Cədvəldən görünə bilər ki, nazik təbəqəli litium niobat modulatoru modulyasiya bant genişliyi, yarım dalğa gərginliyi, optik interpolyasiya itkisi və s.-də aşkar üstünlüklərə malikdir.

İnteqrasiya edilmiş optoelektronikanın təməl daşı kimi silisium indiyədək işlənib hazırlanmışdır, proses yetkindir, onun miniatürləşdirilməsi aktiv/passiv cihazların genişmiqyaslı inteqrasiyasına şərait yaradır və onun modulyatoru optika sahəsində geniş və dərindən öyrənilib. rabitə. Silikonun elektro-optik modulyasiya mexanizmi əsasən daşıyıcının boşaldılması, daşıyıcı inyeksiya və daşıyıcının yığılmasıdır. Onların arasında modulatorun bant genişliyi xətti dərəcə daşıyıcısının tükənməsi mexanizmi ilə optimaldır, lakin optik sahənin paylanması tükənmə bölgəsinin qeyri-bərabərliyi ilə üst-üstə düşdüyü üçün bu təsir qeyri-xətti ikinci dərəcəli təhrif və üçüncü dərəcəli intermodulyasiya təhrifini təqdim edəcəkdir. optik modulyasiya amplitüdünün azalmasına və siqnalın təhrif olunmasına gətirib çıxaracaq işığa daşıyıcının udma təsiri ilə birləşən şərtlər.

InP modulatoru görkəmli elektro-optik effektlərə malikdir və çox qatlı kvant quyusu strukturu 0,156V · mm-ə qədər Vπ·L ilə ultra yüksək sürət və aşağı hərəkət gərginliyi modulyatorlarını həyata keçirə bilər. Bununla belə, sınma əmsalının elektrik sahəsi ilə dəyişməsi xətti və qeyri-xətti şərtləri əhatə edir və elektrik sahəsinin intensivliyinin artması ikinci dərəcəli effekti daha qabarıq edəcəkdir. Buna görə də, silikon və InP elektro-optik modulyatorlar işləyərkən pn qovşağı yaratmaq üçün qərəz tətbiq etməlidirlər və pn qovşağı udma itkisini işığa gətirəcəkdir. Bununla belə, bu ikisinin modulyator ölçüsü kiçikdir, kommersiya InP modulator ölçüsü LN modulatorunun 1/4 hissəsidir. Məlumat mərkəzləri kimi yüksək sıxlıq və qısa məsafəli rəqəmsal optik ötürmə şəbəkələri üçün uyğun olan yüksək modulyasiya səmərəliliyi. Litium niobatın elektro-optik effekti işıq udma mexanizmi və aşağı itkiyə malik deyil, uzun məsafə koherent üçün uyğundur.optik rabitəböyük tutumu və yüksək dərəcəsi ilə. Mikrodalğalı foton tətbiqində Si və InP-nin elektro-optik əmsalları qeyri-xəttidir, bu da yüksək xətti və böyük dinamikaya malik mikrodalğalı foton sistemi üçün uyğun deyil. Litium niobat materialı tamamilə xətti elektro-optik modulyasiya əmsalı sayəsində mikrodalğalı foton tətbiqi üçün çox uyğundur.