Manteision ac arwyddocâd niobate lithiwm ffilm tenau mewn technoleg ffoton microdon integredig
Technoleg ffoton microdonmae ganddo fanteision lled band gweithio mawr, gallu prosesu cyfochrog cryf a cholled trosglwyddo isel, sydd â'r potensial i dorri tagfa dechnegol system microdon traddodiadol a gwella perfformiad offer gwybodaeth electronig milwrol megis radar, rhyfela electronig, cyfathrebu a mesur a rheolaeth. Fodd bynnag, mae gan y system ffoton microdon sy'n seiliedig ar ddyfeisiau arwahanol rai problemau megis cyfaint mawr, pwysau trwm a sefydlogrwydd gwael, sy'n cyfyngu'n ddifrifol ar gymhwyso technoleg ffoton microdon mewn llwyfannau yn y gofod ac yn yr awyr. Felly, mae technoleg ffoton microdon integredig yn dod yn gefnogaeth bwysig i dorri cymhwysiad ffoton microdon mewn system gwybodaeth electronig milwrol a rhoi chwarae llawn i fanteision technoleg ffoton microdon.
Ar hyn o bryd, mae technoleg integreiddio ffotonig sy'n seiliedig ar SI a thechnoleg integreiddio ffotonig sy'n seiliedig ar INP wedi dod yn fwy a mwy aeddfed ar ôl blynyddoedd o ddatblygiad ym maes cyfathrebu optegol, ac mae llawer o gynhyrchion wedi'u rhoi ar y farchnad. Fodd bynnag, ar gyfer cymhwyso ffoton microdon, mae rhai problemau yn y ddau fath hyn o dechnolegau integreiddio ffoton: er enghraifft, mae cyfernod electro-optegol aflinol Si modulator a modulator InP yn groes i'r llinoledd uchel a'r nodweddion deinamig mawr a ddilynir gan ficrodon. technoleg ffoton; Er enghraifft, mae gan y switsh optegol silicon sy'n gwireddu newid llwybr optegol, boed yn seiliedig ar effaith thermol-optegol, effaith piezoelectrig, neu effaith gwasgaru chwistrelliad cludwr, broblemau cyflymder newid araf, defnydd pŵer a defnydd gwres, na all fodloni'r cyflym sganio trawst a chymwysiadau ffoton meicrodon arae ar raddfa fawr.
Lithiwm niobate fu'r dewis cyntaf erioed ar gyfer cyflymder uchelmodiwleiddio electro-optigdeunyddiau oherwydd ei effaith electro-optig llinol ardderchog. Fodd bynnag, mae'r niobate lithiwm traddodiadolmodulator electro-optegolwedi'i wneud o ddeunydd grisial niobate lithiwm enfawr, ac mae maint y ddyfais yn fawr iawn, na all ddiwallu anghenion technoleg ffoton microdon integredig. Mae sut i integreiddio deunyddiau lithiwm niobate â chyfernod electro-optegol llinol i'r system dechnoleg ffoton microdon integredig wedi dod yn nod i ymchwilwyr perthnasol. Yn 2018, adroddodd tîm ymchwil o Brifysgol Harvard yn yr Unol Daleithiau y dechnoleg integreiddio ffotonig yn seiliedig ar niobate lithiwm ffilm tenau yn Nature, oherwydd bod gan y dechnoleg fanteision integreiddio uchel, lled band modiwleiddio electro-optegol mawr, a llinoledd uchel o electro -effaith optegol, ar ôl ei lansio, fe achosodd y sylw academaidd a diwydiannol ar unwaith ym maes integreiddio ffotonig a ffotoneg microdon. O safbwynt cais ffoton microdon, mae'r papur hwn yn adolygu dylanwad ac arwyddocâd technoleg integreiddio ffoton yn seiliedig ar niobate lithiwm ffilm tenau ar ddatblygiad technoleg ffoton microdon.
Deunydd niobate lithiwm ffilm tenau a ffilm denaumodulator niobate lithiwm
Yn ystod y ddwy flynedd diwethaf, mae math newydd o ddeunydd lithiwm niobate wedi dod i'r amlwg, hynny yw, mae'r ffilm lithiwm niobate yn cael ei exfoliated o'r grisial lithiwm niobate enfawr trwy'r dull o "sleisio ïon" a'i bondio i'r wafer Si gyda haen glustogi silica i ffurflen LNOI (LiNbO3-Ar-Insulator) deunydd [5], a elwir yn ddeunydd ffilm tenau lithiwm niobate yn y papur hwn. Gellir ysgythru tonnau crib gydag uchder o fwy na 100 nanometr ar ddeunyddiau lithiwm niobate ffilm denau trwy broses ysgythru sych wedi'i optimeiddio, a gall gwahaniaeth mynegai plygiannol effeithiol y tonnau a ffurfiwyd gyrraedd mwy na 0.8 (llawer uwch na'r gwahaniaeth mynegai plygiannol traddodiadol lithiwm niobate waveguides o 0.02), fel y dangosir yn Ffigur 1. Mae'r waveguide cyfyngedig cryf yn ei gwneud yn haws i gyfateb y maes golau gyda'r cae microdon wrth ddylunio y modulator. Felly, mae'n fuddiol cyflawni foltedd hanner ton is a lled band modiwleiddio mwy mewn hyd byrrach.
Mae ymddangosiad tonguide submicron lithiwm niobate colled isel yn torri'r dagfa o foltedd gyrru uchel modulator electro-optig lithiwm niobate traddodiadol. Gellir lleihau'r bylchau electrod i ~ 5 μm, ac mae'r gorgyffwrdd rhwng y maes trydan a'r maes modd optegol yn cynyddu'n fawr, ac mae'r vπ ·L yn gostwng o fwy nag 20 V·cm i lai na 2.8 V·cm. Felly, o dan yr un foltedd hanner ton, gellir lleihau hyd y ddyfais yn fawr o'i gymharu â'r modulator traddodiadol. Ar yr un pryd, ar ôl optimeiddio paramedrau lled, trwch a chyfwng yr electrod tonnau teithio, fel y dangosir yn y ffigur, gall y modulator fod â gallu lled band modiwleiddio uwch-uchel yn fwy na 100 GHz.
Ffig.1 （a） dosraniad modd wedi'i gyfrifo a （b） delwedd o groestoriad y canllaw tonnau LN
Ffig.2 (a) Strwythur tonnau ac electrod a (b) plât craidd y modulator LN
Wrth gymharu modulators lithiwm niobate ffilm tenau â modulators masnachol lithiwm niobate traddodiadol, modulators silicon a modulators indium phosphide (InP) a modulators electro-optegol cyflym eraill presennol, mae prif baramedrau'r gymhariaeth yn cynnwys:
(1) Cynnyrch hanner ton folt (vπ ·L, V·cm), sy'n mesur effeithlonrwydd modiwleiddio'r modulator, y lleiaf yw'r gwerth, yr uchaf yw'r effeithlonrwydd modiwleiddio;
(2) lled band modiwleiddio 3 dB (GHz), sy'n mesur ymateb y modulator i fodiwleiddio amledd uchel;
(3) Colled mewnosod optegol (dB) yn y rhanbarth modiwleiddio. Gellir gweld o'r tabl bod gan modulator lithiwm niobate ffilm denau fanteision amlwg mewn lled band modiwleiddio, foltedd hanner ton, colled rhyngosod optegol ac yn y blaen.
Mae silicon, fel conglfaen optoelectroneg integredig, wedi'i ddatblygu hyd yn hyn, mae'r broses yn aeddfed, mae ei miniaturization yn ffafriol i integreiddio dyfeisiau gweithredol / goddefol ar raddfa fawr, ac mae ei fodiwleiddiwr wedi'i astudio'n eang ac yn ddwfn ym maes optegol. cyfathrebu. Mae'r mecanwaith modiwleiddio electro-optegol o silicon yn bennaf yn depling-tion cludwr, pigiad cludwr a chroniad cludwyr. Yn eu plith, mae lled band y modulator yn optimaidd gyda'r mecanwaith disbyddu cludwr gradd llinol, ond oherwydd bod y dosbarthiad maes optegol yn gorgyffwrdd â diffyg unffurfiaeth y rhanbarth disbyddu, bydd yr effaith hon yn cyflwyno ystumiad ail-orchymyn aflinol ac ystumiad rhyngfoddoli trydydd gorchymyn. termau, ynghyd ag effaith amsugno'r cludwr ar y golau, a fydd yn arwain at leihau'r osgled modiwleiddio optegol ac ystumiad signal.
Mae gan y modulator InP effeithiau electro-optegol rhagorol, a gall y strwythur ffynnon cwantwm aml-haen wireddu modulators cyfradd uwch-uchel a foltedd gyrru isel gyda Vπ·L hyd at 0.156V · mm. Fodd bynnag, mae'r amrywiad o fynegai plygiannol â maes trydan yn cynnwys termau llinol ac aflinol, a bydd y cynnydd mewn dwyster maes trydan yn gwneud yr effaith ail orchymyn yn amlwg. Felly, mae angen i fodwleiddwyr electro-optig silicon ac InP gymhwyso rhagfarn i ffurfio cyffordd pn pan fyddant yn gweithio, a bydd cyffordd pn yn dod â cholli amsugno i olau. Fodd bynnag, mae maint modulator y ddau hyn yn fach, maint y modulator InP masnachol yw 1/4 o'r modulator LN. Effeithlonrwydd modiwleiddio uchel, sy'n addas ar gyfer rhwydweithiau trawsyrru optegol digidol dwysedd uchel a phellter byr megis canolfannau data. Nid oes gan effaith electro-optegol lithiwm niobate unrhyw fecanwaith amsugno golau a cholled isel, sy'n addas ar gyfer cydlynol pellter hircyfathrebu optegolgyda gallu mawr a chyfradd uchel. Yn y cais ffoton microdon, mae cyfernodau electro-optegol Si ac InP yn aflinol, nad yw'n addas ar gyfer y system ffoton microdon sy'n dilyn llinoledd uchel a dynameg mawr. Mae'r deunydd lithiwm niobate yn addas iawn ar gyfer cais ffoton microdon oherwydd ei gyfernod modiwleiddio electro-optig hollol llinol.
Amser post: Ebrill-22-2024