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

Mga kalamangan at kahalagahan ng manipis na pelikulang lithium niobate sa pinagsamang teknolohiya ng microwave photon

Teknolohiya ng photon sa microwaveMay mga bentahe ito ng malaking working bandwidth, malakas na parallel processing ability, at mababang transmission loss, na may potensyal na basagin ang teknikal na bottleneck ng tradisyonal na microwave system at mapabuti ang performance ng military electronic information equipment tulad ng radar, electronic warfare, communication, measurement, at control. Gayunpaman, ang microwave photon system na nakabatay sa mga discrete device ay may ilang problema tulad ng malaking volume, mabigat na timbang, at mahinang stability, na seryosong naghihigpit sa aplikasyon ng microwave photon technology sa spaceborne at airborne platforms. Samakatuwid, ang integrated microwave photon technology ay nagiging mahalagang suporta upang basagin ang aplikasyon ng microwave photon sa military electronic information system at lubos na magamit ang mga bentahe ng microwave photon technology.

Sa kasalukuyan, ang teknolohiyang photonic integration na nakabatay sa SI at teknolohiyang photonic integration na nakabatay sa INP ay lalong naging mature pagkatapos ng mga taon ng pag-unlad sa larangan ng optical communication, at maraming produkto ang inilabas sa merkado. Gayunpaman, para sa aplikasyon ng microwave photon, may ilang problema sa dalawang uri ng teknolohiyang photon integration na ito: halimbawa, ang nonlinear electro-optical coefficient ng Si modulator at InP modulator ay salungat sa mataas na linearity at malalaking dynamic na katangian na hinahangad ng teknolohiyang microwave photon; Halimbawa, ang silicon optical switch na nagsasagawa ng optical path switching, batay man sa thermal-optical effect, piezoelectric effect, o carrier injection dispersion effect, ay may mga problema ng mabagal na bilis ng paglipat, pagkonsumo ng kuryente at pagkonsumo ng init, na hindi nakakatugon sa mabilis na beam scanning at malalaking array scale na aplikasyon ng microwave photon.

Ang Lithium niobate ay palaging ang unang pagpipilian para sa mataas na bilis.modulasyong elektro-optikomga materyales dahil sa mahusay nitong linear electro-optic effect. Gayunpaman, ang tradisyonal na lithium niobatemodulator na elektro-optikalay gawa sa napakalaking materyal na kristal ng lithium niobate, at ang laki ng aparato ay napakalaki, na hindi kayang matugunan ang mga pangangailangan ng integrated microwave photon technology. Kung paano i-integrate ang mga materyales ng lithium niobate na may linear electro-optical coefficient sa integrated microwave photon technology system ay naging layunin ng mga kaugnay na mananaliksik. Noong 2018, isang pangkat ng pananaliksik mula sa Harvard University sa Estados Unidos ang unang nag-ulat ng photonic integration technology batay sa thin film lithium niobate sa Nature, dahil ang teknolohiya ay may mga bentahe ng mataas na integration, malaking electro-optical modulation bandwidth, at mataas na linearity ng electro-optical effect, nang mailunsad, agad itong nakakuha ng atensyon ng akademiko at 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 photon integration technology batay sa thin film lithium niobate sa pag-unlad ng microwave photon technology.

Manipis na pelikulang lithium niobate na materyal at manipis na pelikulamodulator ng lithium niobate
Sa nakalipas na dalawang taon, isang bagong uri ng materyal na lithium niobate ang lumitaw, ibig sabihin, ang lithium niobate film ay inaalis sa balat mula sa napakalaking kristal ng lithium niobate sa pamamagitan ng pamamaraan ng "ion slicing" at idinidikit sa Si wafer gamit ang silica buffer layer upang bumuo ng materyal na LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], na tinatawag na manipis na pelikulang lithium niobate na materyal sa papel na ito. Ang mga ridge waveguide na may taas na higit sa 100 nanometer ay maaaring i-etch sa mga manipis na pelikulang lithium niobate na materyales sa pamamagitan ng na-optimize na proseso ng dry etching, at ang epektibong pagkakaiba sa refractive index ng mga nabuo na waveguide ay maaaring umabot ng higit sa 0.8 (mas mataas kaysa sa pagkakaiba sa refractive index ng tradisyonal na lithium niobate waveguide na 0.02), tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Ang mahigpit na pinaghihigpitang waveguide ay ginagawang mas madali ang pagtutugma ng light field sa microwave field kapag nagdidisenyo ng modulator. Kaya, kapaki-pakinabang na makamit ang mas mababang half-wave voltage at mas malaking modulation bandwidth sa mas maikling haba.

Ang paglitaw ng low loss lithium niobate submicron waveguide ay bumabasag sa bottleneck ng mataas na driving voltage ng tradisyonal na lithium niobate electro-optic modulator. Ang electrode spacing ay maaaring mabawasan sa ~ 5 μm, at ang overlap sa pagitan ng electric field at optical mode field ay lubhang tumataas, 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 half-wave voltage, ang haba ng device ay maaaring lubos na mabawasan kumpara sa tradisyonal na modulator. Kasabay nito, pagkatapos ma-optimize ang mga parameter ng lapad, kapal at interval ng travelling wave electrode, tulad ng ipinapakita sa figure, ang modulator ay maaaring magkaroon ng kakayahan ng ultra-high modulation bandwidth na higit sa 100 GHz.

Larawan 1 (a) kinakalkulang distribusyon ng mode at (b) imahe ng cross-section ng LN waveguide

Larawan 2 (a) Istruktura ng Waveguide at elektrod at (b) coreplate ng LN modulator

Ang paghahambing ng mga thin film lithium niobate modulator sa mga tradisyonal na lithium niobate commercial modulator, silicon-based modulator at indium phosphide (InP) modulator at iba pang umiiral na high-speed electro-optical modulator, ang mga pangunahing parametro ng paghahambing ay kinabibilangan ng:
(1) Produkto ng haba ng boltahe na kalahating alon (vπ ·L, V·cm), sinusukat ang kahusayan ng modulasyon ng modulator, mas maliit ang halaga, mas mataas ang kahusayan ng modulasyon;
(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 modulasyon. Makikita mula sa talahanayan na ang thin film lithium niobate modulator ay may malinaw na mga bentahe sa bandwidth ng modulasyon, half-wave voltage, optical interpolation loss at iba pa.

Ang Silicon, bilang pundasyon ng integrated optoelectronics, ay naunlad na sa ngayon, ang proseso ay ganap nang nabubuo, ang miniaturization nito ay nakakatulong sa malawakang integrasyon ng mga aktibo/passive device, at ang modulator nito ay malawakan at malalim na pinag-aralan sa larangan ng optical communication. Ang mekanismo ng electro-optical modulation ng silicon 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 sumasapaw sa hindi pagkakapareho ng depletion region, ang epektong ito ay magpapakilala ng nonlinear second-order distortion at third-order intermodulation distortion terms, kasabay ng absorption effect ng carrier sa liwanag, na hahantong sa pagbawas ng optical modulation amplitude at signal distortion.

Ang InP modulator ay may natatanging electro-optical effect, at ang multi-layer quantum well structure ay kayang magpatupad ng ultra-high rate at low driving voltage modulators na may Vπ·L hanggang 0.156V · mm. Gayunpaman, ang pagkakaiba-iba ng refractive index na may electric field ay kinabibilangan ng linear at nonlinear terms, at ang pagtaas ng electric field intensity ay magpapatunay sa second-order effect. Samakatuwid, ang silicon at InP electro-optic modulators ay kailangang maglapat ng bias upang bumuo ng pn junction kapag gumagana ang mga ito, at ang pn junction ay magdadala ng absorption loss sa liwanag. Gayunpaman, ang laki ng modulator ng dalawang ito ay maliit, ang komersyal na laki ng InP modulator ay 1/4 ng LN modulator. Mataas na kahusayan ng modulation, angkop para sa high density at short distance digital optical transmission networks tulad ng mga data center. Ang electro-optical effect ng lithium niobate ay walang light absorption mechanism at mababang loss, na angkop para sa long distance coherent.komunikasyong optikalna may malaking kapasidad at mataas na rate. Sa aplikasyon ng microwave photon, ang mga electro-optical coefficients ng Si at InP ay nonlinear, na hindi angkop para sa microwave photon system na nagtataguyod ng mataas na linearity at malaking dynamics. Ang lithium niobate material ay lubhang angkop para sa aplikasyon ng microwave photon dahil sa ganap nitong linear electro-optic modulation coefficient.