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

Mga kalamangan at kahalagahan ng thin film lithium niobate sa integrated microwave photon technology

Teknolohiya ng microwave photonay may mga pakinabang ng malaking working bandwidth, malakas na parallel processing ability at mababang transmission loss, na may potensyal na masira ang teknikal na bottleneck ng tradisyonal na microwave system at mapabuti ang pagganap ng mga kagamitang pang-militar na impormasyon tulad ng radar, electronic warfare, komunikasyon at pagsukat at kontrol. Gayunpaman, ang sistema ng microwave photon batay sa mga discrete device ay may ilang mga problema tulad ng malaking volume, mabigat na timbang at mahinang katatagan, na seryosong naghihigpit sa paggamit ng teknolohiya ng microwave photon sa spaceborne at airborne na mga platform. Samakatuwid, ang pinagsamang teknolohiya ng microwave photon ay nagiging isang mahalagang suporta upang masira ang aplikasyon ng microwave photon sa sistema ng impormasyong elektroniko ng militar at bigyan ng buong laro ang mga pakinabang ng teknolohiyang microwave photon.

Sa kasalukuyan, ang SI-based na photonic integration technology at INP-based photonic integration technology ay naging mas mature pagkatapos ng mga taon ng pag-unlad sa larangan ng optical communication, at maraming produkto ang nailagay sa merkado. Gayunpaman, para sa aplikasyon ng microwave photon, mayroong ilang mga problema sa dalawang uri ng mga teknolohiya ng pagsasama ng photon: halimbawa, ang nonlinear electro-optical coefficient ng Si modulator at InP modulator ay salungat sa mataas na linearity at malalaking dynamic na katangian na hinahabol ng microwave. teknolohiya ng photon; Halimbawa, ang silicon optical switch na napagtatanto ang optical path switching, base man sa thermal-optical effect, piezoelectric effect, o carrier injection dispersion effect, ay may mga problema sa mabagal na bilis ng paglipat, pagkonsumo ng kuryente at pagkonsumo ng init, na hindi matugunan ang mabilis beam scanning at large array scale na microwave photon application.

Lithium niobate ay palaging ang unang pagpipilian para sa mataas na biliselectro-optic modulasyonmateryales dahil sa mahusay na linear electro-optic na epekto nito. 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 matugunan ang mga pangangailangan ng pinagsamang teknolohiya ng microwave photon. Kung paano isama ang mga materyales ng lithium niobate na may linear na electro-optical coefficient sa integrated microwave photon technology system ay naging layunin ng mga nauugnay na mananaliksik. Noong 2018, unang iniulat ng isang research team mula sa Harvard University sa United States ang photonic integration technology batay sa thin film lithium niobate in Nature, dahil ang teknolohiya ay may mga pakinabang ng mataas na integration, malaking electro-optical modulation bandwidth, at mataas na linearity ng electro -optical effect, sa sandaling inilunsad, agad itong nagdulot ng atensyong pang-akademiko at pang-industriya sa larangan ng photonic integration at microwave photonics. Mula sa pananaw ng aplikasyon ng microwave photon, sinusuri ng papel na ito ang impluwensya at kahalagahan ng teknolohiya ng pagsasama ng photon batay sa manipis na film lithium niobate sa pagbuo ng teknolohiya ng microwave photon.

Manipis na film lithium niobate na materyal at manipis na pelikulalithium niobate modulator
Sa nakalipas na dalawang taon, isang bagong uri ng lithium niobate na materyal ang lumitaw, iyon ay, ang lithium niobate film ay na-exfoliated mula sa napakalaking lithium niobate na kristal sa pamamagitan ng paraan ng "ion slicing" at nakatali sa Si wafer na may isang silica buffer layer sa form ng LNOI (LiNbO3-On-Insulator) na materyal [5], na tinatawag na thin film lithium niobate material sa papel na ito. Ang mga ridge waveguides na may taas na higit sa 100 nanometer ay maaaring i-ukit sa manipis na film na lithium niobate na mga materyales sa pamamagitan ng na-optimize na proseso ng dry etching, at ang epektibong refractive index difference ng waveguides na nabuo ay maaaring umabot ng higit sa 0.8 (mas mataas kaysa sa refractive index difference ng tradisyonal lithium niobate waveguides na 0.02), tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Ang mahigpit na pinaghihigpitang waveguide ay nagpapadali sa pagtutugma ng light field sa microwave field kapag nagdidisenyo ng modulator. Kaya, ito ay kapaki-pakinabang upang makamit ang mas mababang kalahating alon boltahe at mas malaking modulation bandwidth sa isang mas maikling haba.

Ang hitsura ng low loss lithium niobate submicron waveguide ay sumisira sa bottleneck ng mataas na boltahe sa pagmamaneho ng tradisyonal na lithium niobate electro-optic modulator. Ang electrode spacing ay maaaring bawasan sa ~ 5 μm, at ang overlap sa pagitan ng electric field at optical mode field ay lubhang 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 boltahe ng kalahating alon, ang haba ng aparato ay maaaring lubos na mabawasan kumpara sa tradisyonal na modulator. Kasabay nito, pagkatapos i-optimize ang mga parameter ng lapad, kapal at pagitan ng naglalakbay na wave electrode, 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） nakalkulang mode distribution at （b） larawan ng cross-section ng LN waveguide

Fig.2 （a） Waveguide at istraktura ng elektrod at （b） coreplate ng LN modulator

Ang paghahambing ng thin film lithium niobate modulators sa tradisyonal na lithium niobate commercial modulators, silicon-based modulators at indium phosphide (InP) modulators at iba pang umiiral na high-speed electro-optical modulators, ang pangunahing mga parameter ng paghahambing ay kinabibilangan ng:
(1) Half-wave volt-length na produkto (vπ ·L, V·cm), na sinusukat ang modulation efficiency ng modulator, mas maliit ang value, mas mataas ang modulation efficiency;
(2) 3 dB modulation bandwidth (GHz), na sumusukat sa tugon ng modulator sa high-frequency modulation;
(3) Optical insertion loss (dB) sa rehiyon ng modulasyon. Makikita mula sa talahanayan na ang manipis na film lithium niobate modulator ay may halatang pakinabang sa modulation bandwidth, half-wave voltage, optical interpolation loss at iba pa.

Ang Silicon, bilang pundasyon ng integrated optoelectronics, ay binuo sa ngayon, ang proseso ay mature, ang miniaturization nito ay nakakatulong sa malakihang pagsasama ng mga active/passive device, at ang modulator nito ay malawak at malalim na pinag-aralan sa larangan ng optical. komunikasyon. Ang mekanismo ng electro-optical modulation ng silikon ay pangunahing carrier depling-tion, carrier injection at carrier accumulation. Kabilang sa mga ito, ang bandwidth ng modulator ay pinakamainam sa linear degree carrier depletion mechanism, ngunit dahil ang optical field distribution ay nag-o-overlap sa hindi pagkakapareho ng depletion region, ang epektong ito ay magpapakilala ng nonlinear second-order distortion at third-order intermodulation distortion. mga termino, kasama ang epekto ng pagsipsip ng carrier sa ilaw, na hahantong sa pagbawas ng optical modulation amplitude at pagbaluktot ng signal.

Ang InP modulator ay may namumukod-tanging mga electro-optical effect, at ang multi-layer na quantum well structure ay maaaring magkaroon ng ultra-high rate at mababang driving voltage modulators na may Vπ·L hanggang sa 0.156V · mm. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba ng refractive index na may electric field ay may kasamang linear at nonlinear na mga termino, at ang pagtaas ng intensity ng electric field ay gagawing kitang-kita ang second-order effect. Samakatuwid, ang mga silicon at InP electro-optic modulator ay kailangang maglapat ng bias upang bumuo ng pn junction kapag gumagana ang mga ito, at ang pn junction ay magdadala ng pagkawala ng pagsipsip sa liwanag. 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 modulasyon, na angkop para sa mataas na densidad at maikling distansya ng mga digital optical transmission network tulad ng mga data center. Ang electro-optical effect ng lithium niobate ay walang light absorption mechanism at mababang pagkawala, na angkop para sa long distance coherentoptical na komunikasyonna may malaking kapasidad at mataas na rate. Sa microwave photon application, ang mga electro-optical coefficients ng Si at InP ay nonlinear, na hindi angkop para sa microwave photon system na humahabol sa mataas na linearity at malalaking dynamics. Ang lithium niobate na materyal ay napaka-angkop para sa microwave photon application dahil sa ganap nitong linear electro-optic modulation coefficient.