Manteision ac arwyddocâd lithiwm niobate ffilm denau 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'r tagfeydd technegol mewn system ficrodon draddodiadol a gwella perfformiad offer gwybodaeth electronig milwrol fel radar, rhyfel electronig, cyfathrebu a mesur a rheoli. 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 gofod ac awyr. Felly, mae technoleg ffoton microdon integredig yn dod yn gefnogaeth bwysig i dorri cymhwyso ffoton microdon mewn system wybodaeth electronig filwrol a rhoi chwarae llawn i fanteision technoleg ffoton microdon.
Ar hyn o bryd, mae technoleg integreiddio ffotonig seiliedig ar SI a thechnoleg integreiddio ffotonig seiliedig ar INP wedi dod yn fwyfwy 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 anlinellol modiwleiddiwr Si a modiwleiddiwr InP yn groes i'r llinoledd uchel a'r nodweddion deinamig mawr a ddilynir gan dechnoleg ffoton microdon; 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 gwasgariad chwistrelliad cludwr, broblemau cyflymder newid araf, defnydd pŵer a defnydd gwres, na all fodloni'r cymwysiadau sganio trawst cyflym a ffoton microdon ar raddfa fawr.
Lithiwm niobate fu'r dewis cyntaf erioed ar gyfer cyflymder uchelmodiwleiddio electro-optigdeunyddiau oherwydd ei effaith electro-optig llinol ragorol. Fodd bynnag, y lithiwm niobate traddodiadolmodiwleiddiwr electro-optegolwedi'i wneud o ddeunydd crisial lithiwm niobate 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 am y dechnoleg integreiddio ffotonig yn seiliedig ar lithiwm niobate ffilm denau yn Nature am y tro cyntaf, oherwydd bod gan y dechnoleg fanteision integreiddio uchel, lled band modiwleiddio electro-optegol mawr, a llinoledd uchel o effaith electro-optegol, unwaith y'i lansiwyd, fe achosodd sylw academaidd a diwydiannol ar unwaith ym maes integreiddio ffotonig a ffotonig microdon. O safbwynt cymhwysiad ffoton microdon, mae'r papur hwn yn adolygu dylanwad ac arwyddocâd technoleg integreiddio ffoton yn seiliedig ar lithiwm niobate ffilm denau ar ddatblygiad technoleg ffoton microdon.
Deunydd lithiwm niobate ffilm denau a ffilm denaumodiwleiddiwr lithiwm niobate
Yn ystod y ddwy flynedd ddiwethaf, mae math newydd o ddeunydd lithiwm niobat wedi dod i'r amlwg, hynny yw, mae'r ffilm lithiwm niobat yn cael ei plicio o'r grisial lithiwm niobat enfawr trwy'r dull "sleisio ïonau" a'i bondio i'r wafer Si gyda haen byffer silica i ffurfio deunydd LNOI (LiNbO3-Ar-Inswlydd) [5], a elwir yn ddeunydd lithiwm niobat ffilm denau yn y papur hwn. Gellir ysgythru ton-dywyswyr crib gydag uchder o fwy na 100 nanometr ar ddeunyddiau lithiwm niobat ffilm denau trwy broses ysgythru sych wedi'i optimeiddio, a gall y gwahaniaeth mynegai plygiannol effeithiol o'r ton-dywyswyr a ffurfiwyd gyrraedd mwy na 0.8 (llawer uwch na'r gwahaniaeth mynegai plygiannol o dywyswyr tonnau lithiwm niobat traddodiadol o 0.02), fel y dangosir yn Ffigur 1. Mae'r ton-dywysydd cyfyngedig iawn yn ei gwneud hi'n haws paru'r maes golau â'r maes microdon wrth ddylunio'r modiwleiddiwr. Felly, mae'n fuddiol cyflawni foltedd hanner ton is a lled band modiwleiddio mwy mewn hyd byrrach.
Mae ymddangosiad tonfedd is-micron niobat lithiwm colled isel yn torri tagfeydd foltedd gyrru uchel modiwleiddiwr electro-optig niobat lithiwm traddodiadol. Gellir lleihau'r bylchau rhwng yr electrodau i ~ 5 μm, ac mae'r gorgyffwrdd rhwng y maes trydanol a'r maes modd optegol yn cynyddu'n fawr, ac mae'r vπ ·L yn lleihau o fwy na 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 modiwleiddiwr traddodiadol. Ar yr un pryd, ar ôl optimeiddio paramedrau lled, trwch a chyfwng yr electrod ton deithiol, fel y dangosir yn y ffigur, gall y modiwleiddiwr fod â'r gallu i led band modiwleiddio uwch-uchel sy'n fwy na 100 GHz.
Ffig.1 (a) dosbarthiad modd cyfrifedig a (b) delwedd o groestoriad y tondywysydd LN
Ffig.2 (a) Strwythur y tonfedd-dywysydd a'r electrod a (b) plât craidd y modiwleiddiwr LN
Cymhariaeth o fodiwlyddion niobat lithiwm ffilm denau â modiwlyddion masnachol niobat lithiwm traddodiadol, modiwlyddion wedi'u seilio ar silicon a modiwlyddion ffosffid indiwm (InP) a modiwlyddion electro-optegol cyflym eraill sy'n bodoli eisoes, mae prif baramedrau'r gymhariaeth yn cynnwys:
(1) Cynnyrch hyd folt hanner ton (vπ ·L, V·cm), gan fesur effeithlonrwydd modiwleiddio'r modiwleiddiwr, y lleiaf yw'r gwerth, yr uchaf yw'r effeithlonrwydd modiwleiddio;
(2) lled band modiwleiddio 3 dB (GHz), sy'n mesur ymateb y modiwleiddiwr i fodiwleiddio amledd uchel;
(3) Colled mewnosod optegol (dB) yn y rhanbarth modiwleiddio. Gellir gweld o'r tabl bod gan y modiwleiddiwr niobad lithiwm ffilm denau fanteision amlwg o ran 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 fachu yn ffafriol i integreiddio dyfeisiau gweithredol/goddefol ar raddfa fawr, ac mae ei fodiwleiddiwr wedi'i astudio'n eang ac yn ddwfn ym maes cyfathrebu optegol. Mecanwaith modiwleiddio electro-optegol silicon yn bennaf yw lleihau cludwyr, chwistrellu cludwyr a chronni cludwyr. Yn eu plith, mae lled band y modiwleiddiwr yn optimaidd gyda'r mecanwaith lleihau cludwyr gradd llinol, ond oherwydd bod dosbarthiad y maes optegol yn gorgyffwrdd ag anghydffurfiaeth y rhanbarth lleihau, bydd yr effaith hon yn cyflwyno termau ystumio ail-drefn anlinellol a thelerau ystumio rhyng-fodiwleiddio trydydd-drefn, ynghyd ag effaith amsugno'r cludwr ar y golau, a fydd yn arwain at leihau osgled modiwleiddio optegol ac ystumio signal.
Mae gan y modiwleiddiwr InP effeithiau electro-optegol rhagorol, a gall y strwythur ffynnon cwantwm aml-haen wireddu modiwleiddiwyr foltedd gyrru cyfradd uwch-uchel a chyfradd isel gyda Vπ·L hyd at 0.156V·mm. Fodd bynnag, mae'r amrywiad yn y mynegai plygiannol gyda maes trydan yn cynnwys termau llinol ac anlinellol, a bydd y cynnydd mewn dwyster maes trydan yn gwneud yr effaith ail-drefn yn amlwg. Felly, mae angen i fodiwleiddiwyr electro-optegol silicon ac InP gymhwyso rhagfarn i ffurfio cyffordd pn pan fyddant yn gweithio, a bydd cyffordd pn yn dod â cholled amsugno i olau. Fodd bynnag, mae maint modiwleiddiwr y ddau hyn yn fach, maint y modiwleiddiwr InP masnachol yw 1/4 o faint y modiwleiddiwr LN. Effeithlonrwydd modiwleiddio uchel, sy'n addas ar gyfer rhwydweithiau trosglwyddo optegol digidol dwysedd uchel a phellter byr fel canolfannau data. Nid oes gan effaith electro-optegol lithiwm niobate fecanwaith amsugno golau a cholled isel, sy'n addas ar gyfer cydlynol pellter hir.cyfathrebu optegolgyda chynhwysedd mawr a chyfradd uchel. Yn y cymhwysiad ffoton microdon, mae cyfernodau electro-optegol Si ac InP yn anlinellol, nad yw'n addas ar gyfer y system ffoton microdon sy'n mynd ar drywydd llinoledd uchel a deinameg fawr. Mae'r deunydd lithiwm niobate yn addas iawn ar gyfer cymhwysiad ffoton microdon oherwydd ei gyfernod modiwleiddio electro-optegol cwbl llinol.
Amser postio: 22 Ebrill 2024