Manipis na film lithium niobate material at manipis na film lithium niobate modulator

Mga kalamangan at kabuluhan ng manipis na film lithium niobate sa integrated microwave photon na teknolohiya

Teknolohiya ng Microwave Photonay may mga pakinabang ng malaking nagtatrabaho bandwidth, malakas na kahanay na pagproseso ng kakayahan at mababang pagkawala ng paghahatid, na may potensyal na masira ang teknikal na bottleneck ng tradisyonal na sistema ng microwave at pagbutihin ang pagganap ng mga kagamitan sa elektronikong militar tulad ng radar, elektronikong digma, komunikasyon at pagsukat at kontrol. Gayunpaman, ang sistema ng microwave photon batay sa mga aparato ng discrete ay may ilang mga problema tulad ng malaking dami, mabibigat na timbang at mahinang katatagan, na sineseryoso na hinihigpitan ang aplikasyon ng teknolohiya ng microwave photon sa spaceborne at airborne platform. Samakatuwid, ang integrated microwave photon na teknolohiya ay nagiging isang mahalagang suporta upang masira ang aplikasyon ng microwave photon sa military electronic information system at magbigay ng buong pag -play sa mga pakinabang ng teknolohiyang photon ng microwave.

Sa kasalukuyan, ang teknolohiya ng pagsasama ng photonic na batay sa SI at teknolohiya ng pagsasama ng photonic na batay sa INP ay naging mas at mas matanda pagkatapos ng mga taon ng pag-unlad sa larangan ng optical na komunikasyon, at maraming mga produkto ang inilagay sa merkado. Gayunpaman, para sa aplikasyon ng microwave photon, may ilang mga problema sa dalawang uri ng mga teknolohiyang pagsasama ng photon: halimbawa, ang nonlinear electro-optical coefficient ng Si modulator at INP modulator ay salungat sa mataas na pagkakasunud-sunod at malaking dinamikong katangian na hinabol ng teknolohiya ng microwave photon; Halimbawa, ang switch ng optical switch na napagtanto ang paglipat ng optical path, kung batay sa thermal-optical effect, piezoelectric effect, o carrier injection dispersion effect, ay may mga problema ng mabagal na paglipat ng bilis, pagkonsumo ng kuryente at mga aplikasyon ng init, na hindi maaaring matugunan ang mabilis na pag-scan ng beam at malaking array scale microwave photon application.

Ang lithium niobate ay palaging ang unang pagpipilian para sa mataas na bilisElectro-optic modulationmga materyales dahil sa mahusay na linear na electro-optic na epekto. Gayunpaman, ang tradisyonal na lithium niobateElectro-optical modulatoray gawa sa napakalaking lithium niobate na kristal na materyal, at ang laki ng aparato ay napakalaki, na hindi maaaring matugunan ang mga pangangailangan ng pinagsamang teknolohiya ng microwave photon. Paano isama ang mga materyales na Lithium Niobate na may linear na electro-optical coefficient sa integrated microwave photon na teknolohiya system ay naging layunin ng mga may-katuturang mananaliksik. Noong 2018, isang pangkat ng pananaliksik mula sa Harvard University sa Estados Unidos ang unang nag-ulat ng teknolohiyang pagsasama ng photonic batay sa manipis na film lithium niobate sa kalikasan, dahil ang teknolohiya ay may pakinabang ng mataas na pagsasama, malaking electro-optical modulation bandwidth, at mataas na pagkakasunud-sunod ng electro-optical effect, isang beses na inilunsad, agad itong naging sanhi ng pang-akademikong at pang-industriya sa larangan ng pagsasama ng photonic at microwave photonics. Mula sa pananaw ng application ng microwave photon, sinusuri ng papel na ito ang impluwensya at kabuluhan ng teknolohiya ng pagsasama ng photon batay sa manipis na film lithium niobate sa pagbuo ng teknolohiyang photon ng microwave.

Manipis na film lithium niobate material at manipis na pelikulaLithium Niobate Modulator
Sa nagdaang dalawang taon, ang isang bagong uri ng lithium niobate na materyal ay lumitaw, iyon ay, ang lithium niobate film ay na-exfoliated mula sa napakalaking lithium niobate crystal sa pamamagitan ng pamamaraan ng "ion slicing" at nakagapos sa si wafer na may isang silica buffer layer upang mabuo ang manipis na film na lnoi (Linbo3-on-insulator) na materyal. Ang mga waveguides ng tagaytay na may taas na higit sa 100 nanometer ay maaaring mai -etched sa manipis na film lithium niobate na mga materyales sa pamamagitan ng na -optimize na proseso ng dry etching, at ang epektibong refractive index na pagkakaiba ng pagkakaiba -iba ng mga waveguides na nabuo ay maaaring maabot ang higit sa 0.8 (mas mataas kaysa sa refractive index pagkakaiba ng tradisyonal na lithium niobate waveguides ng 0.02), tulad ng ipinapakita sa figure 1. Microwave Field Kapag nagdidisenyo ng modulator. Kaya, kapaki-pakinabang na makamit ang mas mababang kalahating alon na boltahe at mas malaking modulation bandwidth sa isang mas maikling haba.

Ang hitsura ng mababang pagkawala ng lithium niobate submicron waveguide ay sumisira sa bottleneck ng mataas na pagmamaneho ng boltahe ng tradisyonal na lithium niobate electro-optic modulator. Ang spacing ng elektrod ay maaaring mabawasan sa ~ 5 μm, at ang overlap sa pagitan ng electric field at ang patlang ng optical mode ay lubos na nadagdagan, at ang Vπ · L ay bumababa mula sa higit sa 20 V · cm hanggang sa mas mababa sa 2.8 V · cm. Samakatuwid, sa ilalim ng parehong kalahating alon na boltahe, ang haba ng aparato ay maaaring lubos na mabawasan kumpara sa tradisyonal na modulator. Kasabay nito, pagkatapos ng pag-optimize ng mga parameter ng lapad, kapal at agwat ng naglalakbay na alon ng elektrod, tulad ng ipinapakita sa figure, ang modulator ay maaaring magkaroon ng kakayahan ng ultra-high modulation bandwidth na higit sa 100 GHz.

Fig.1 （A） kinakalkula na pamamahagi ng mode at （b） imahe ng cross-section ng LN waveguide

Fig.2 （A） Waveguide at Electrode Structure at （B） CorePate ng LN Modulator

Ang paghahambing ng manipis na film lithium niobate modulators na may tradisyonal na lithium niobate komersyal na mga modulators, mga modulators na batay sa silikon at indium phosphide (INP) modulators at iba pang umiiral na mga high-speed electro-optical modulators, ang pangunahing mga parameter ng paghahambing ay kasama ang:
.
(2) 3 dB modulation bandwidth (GHz), na sumusukat sa tugon ng modulator sa high-frequency modulation;
(3) Pagkawala ng Optical Insertion (DB) sa rehiyon ng modulation. Makikita ito mula sa talahanayan na ang manipis na film lithium niobate modulator ay may halatang pakinabang sa modulation bandwidth, kalahating alon na boltahe, optical interpolation loss at iba pa.

Ang Silicon, bilang pundasyon ng integrated optoelectronics, ay binuo hanggang ngayon, ang proseso ay matanda, ang miniaturization nito ay kaaya-aya sa malakihang pagsasama ng mga aktibong/passive na aparato, at ang modulator nito ay malawak at malalim na pinag-aralan sa larangan ng optical na komunikasyon. Ang mekanismo ng electro-optical modulation ng silikon ay pangunahing carrier depling-tion, carrier injection at akumulasyon ng carrier. Among them, the bandwidth of the modulator is optimal with the linear degree carrier depletion mechanism, but because the optical field distribution overlaps with the non-uniformity of the depletion region, this effect will introduce nonlinear second-order distortion and third-order intermodulation distortion terms, coupled with the absorption effect of the carrier on the light, which will lead to the reduction of the optical modulation amplitude and signal pagbaluktot.

Ang Modulator ng INP ay may natitirang mga epekto ng electro-optical, at ang istraktura ng multi-layer na mahusay na istraktura ay maaaring mapagtanto ang ultra-high rate at mababang mga modulators ng boltahe na may Vπ · L hanggang sa 0.156V · mm. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba ng refractive index na may electric field ay may kasamang mga linear at nonlinear term, at ang pagtaas ng intensity ng electric field ay gagawing kilalang epekto ng pangalawang-order. Samakatuwid, ang mga silicon at INP electro-optic modulators ay kailangang mag-aplay ng bias upang mabuo ang PN junction kapag nagtatrabaho sila, at ang PN junction ay magdadala ng pagkawala ng pagsipsip sa ilaw. Gayunpaman, ang laki ng modulator ng dalawang ito ay maliit, ang laki ng komersyal na InP modulator ay 1/4 ng LN modulator. Mataas na kahusayan sa modulation, angkop para sa mataas na density at maikling distansya digital optical transmission network tulad ng mga sentro ng data. Ang electro-optical na epekto ng lithium niobate ay walang mekanismo ng pagsipsip ng ilaw at mababang pagkawala, na angkop para sa malayong distansya na magkakaugnayOptical na komunikasyonna may malaking kapasidad at mataas na rate. Sa application ng Microwave Photon, ang mga coefficient ng Electro-optical ng SI at INP ay hindi linya, na hindi angkop para sa microwave photon system na humahabol sa mataas na pagkakasunud-sunod at malaking dinamika. Ang materyal na lithium niobate ay angkop para sa application ng microwave photon dahil sa ganap na linear na electro-optic modulation coefficient.