Перавагі і значэнне тонкаплёнкавага ніабата літыя ў інтэграванай мікрахвалевай фатоннай тэхналогіі
Мікрахвалевая фатонная тэхналогіямае перавагі вялікай прапускной здольнасці, высокай паралельнай апрацоўкі і нізкіх страт пры перадачы, што можа дапамагчы пераадолець тэхнічнае вузкае месца традыцыйных мікрахвалевых сістэм і палепшыць прадукцыйнасць ваеннага электроннага інфармацыйнага абсталявання, такога як радар, радыёэлектронная барацьба, сувязь і вымярэнне і кіраванне. Аднак мікрахвалевая фатонная сістэма на аснове дыскрэтных прылад мае некаторыя праблемы, такія як вялікі аб'ём, цяжкая вага і нізкая стабільнасць, якія сур'ёзна абмяжоўваюць прымяненне тэхналогіі мікрахвалевых фатонаў у касмічных і паветраных платформах. Такім чынам, інтэграваная тэхналогія мікрахвалевых фатонаў становіцца важнай падтрымкай для пераадолення прымянення мікрахвалевых фатонаў у ваеннай электроннай інфармацыйнай сістэме і дае магчымасць у поўнай меры рэалізаваць перавагі тэхналогіі мікрахвалевых фатонаў.
У цяперашні час тэхналогіі фатоннай інтэграцыі на аснове SI і INP сталі больш дасканалымі пасля гадоў развіцця ў галіне аптычнай сувязі, і на рынак было выведзена мноства прадуктаў. Аднак, прымяненне мікрахвалевых фатонаў мае некаторыя праблемы ў гэтых двух тыпах тэхналогій фатоннай інтэграцыі: напрыклад, нелінейны электрааптычны каэфіцыент Si-мадулятара і InP-мадулятара супярэчыць высокай лінейнасці і вялікім дынамічным характарыстыкам, якія дасягаюцца тэхналогіяй мікрахвалевых фатонаў; напрыклад, крэмніевы аптычны перамыкач, які рэалізуе пераключэнне аптычнага шляху, незалежна ад таго, заснаванае яно на цеплава-аптычным эфекце, п'езаэлектрычным эфекце або эфекце дысперсіі інжэкцыі носьбітаў, мае праблемы павольнай хуткасці пераключэння, спажывання энергіі і спажывання цяпла, што не можа задаволіць патрэбы хуткага сканавання прамяня і прымянення мікрахвалевых фатонаў вялікага маштабу.
Ніябат літыя заўсёды быў першым выбарам для высокай хуткасціэлектрааптычная мадуляцыяматэрыялы дзякуючы свайму выдатнаму лінейнаму электрааптычнаму эфекту. Аднак традыцыйны ніабат літыяэлектрааптычны мадулятарвыраблены з масіўнага крышталічнага матэрыялу ніабата літыя, а памер прылады вельмі вялікі, што не можа задаволіць патрэбы інтэграванай тэхналогіі мікрахвалевых фатонаў. Як інтэграваць матэрыялы на аснове ніабата літыя з лінейным электрааптычным каэфіцыентам у інтэграваную сістэму тэхналогіі мікрахвалевых фатонаў стала мэтай адпаведных даследчыкаў. У 2018 годзе даследчая група з Гарвардскага ўніверсітэта ў ЗША ўпершыню паведаміла ў Nature аб тэхналогіі фатоннай інтэграцыі на аснове тонкаплёнкавага ніабата літыя, паколькі гэтая тэхналогія мае перавагі высокай інтэграцыі, вялікай прапускной здольнасці электрааптычнай мадуляцыі і высокай лінейнасці электрааптычнага эфекту, пасля запуску яна адразу ж прыцягнула ўвагу акадэмічных і прамысловых колаў у галіне фатоннай інтэграцыі і мікрахвалевай фатонікі. З пункту гледжання прымянення мікрахвалевых фатонаў у гэтай працы разглядаецца ўплыў і значэнне тэхналогіі інтэграцыі фатонаў на аснове тонкаплёнкавага ніабата літыя на развіццё тэхналогіі мікрахвалевых фатонаў.
Тонкаплёнкавы матэрыял з ніабата літыя і тонкая плёнкамадулятар ніабату літыя
За апошнія два гады з'явіўся новы тып матэрыялу на аснове ніабата літыя, гэта значыць плёнка ніабата літыя аддзяляецца ад масіўнага крышталя ніабата літыя метадам «іённага разразання» і злучаецца з крэмніевай пласцінай з дапамогай буфернага пласта з крэмнію, утвараючы матэрыял LNOI (LiNbO3-на-ізалятары) [5], які ў гэтай працы называецца тонкаплёнкавым матэрыялам ніабата літыя. Грабяністыя хваляводы вышынёй больш за 100 нанаметраў можна вытраўліваць на тонкаплёнкавых матэрыялах ніабата літыя з дапамогай аптымізаванага працэсу сухога травлення, і эфектыўная розніца паказчыкаў праламлення атрыманых хваляводаў можа дасягаць больш за 0,8 (значна вышэй, чым розніца паказчыкаў праламлення традыцыйных хваляводаў ніабата літыя 0,02), як паказана на малюнку 1. Моцна абмежаваны хвалявод палягчае ўзгадненне светлавога поля з мікрахвалевым полем пры праектаванні мадулятара. Такім чынам, выгадна дасягнуць меншага напружання на паўхвале і большай паласы прапускання мадуляцыі пры меншай даўжыні.
З'яўленне субмікроннага хвалявода з ніабата літыя з нізкімі стратамі дазваляе ліквідаваць праблему высокага напружання кіравання традыцыйнага электрааптычнага мадулятара з ніабата літыя. Адлегласць паміж электродамі можа быць зменшана да ~5 мкм, а перакрыццё паміж электрычным полем і полем аптычнай моды значна павялічваецца, а vπ ·L памяншаецца з больш чым 20 В·см да менш чым 2,8 В·см. Такім чынам, пры тым жа паўхвалевым напружанні даўжыня прылады можа быць значна зменшана ў параўнанні з традыцыйным мадулятарам. У той жа час, пасля аптымізацыі параметраў шырыні, таўшчыні і інтэрвалу электрода бегучай хвалі, як паказана на малюнку, мадулятар можа мець магчымасць звышвысокай прапускной здольнасці мадуляцыі больш за 100 ГГц.
Мал. 1 (а) разліковае размеркаванне мод і (б) выява папярочнага сячэння хвалявода LN
Мал. 2 (а) Структура хвалявода і электрода і (б) асноўная пласціна LN-мадулятара
Параўнанне тонкаплёнкавых мадулятараў на аснове ніабату літыя з традыцыйнымі камерцыйнымі мадулятарамі на аснове ніабату літыя, мадулятарамі на аснове крэмнію і мадулятарамі на аснове фасфіду індыя (InP) і іншымі існуючымі хуткаснымі электрааптычнымі мадулятарамі. Асноўныя параметры параўнання ўключаюць:
(1) Паўхвалевы здабытак вольт-даўжыні (vπ ·L, V·cm), які вымярае эфектыўнасць мадуляцыі мадулятара, чым меншае значэнне, тым вышэй эфектыўнасць мадуляцыі;
(2) шырыня паласы мадуляцыі 3 дБ (ГГц), якая вымярае рэакцыю мадулятара на высокачашчынную мадуляцыю;
(3) Аптычныя ўносныя страты (дБ) у вобласці мадуляцыі. З табліцы відаць, што тонкаплёнкавы мадулятар на аснове ніабату літыя мае відавочныя перавагі ў паласе прапускання мадуляцыі, напрузе паўхвалевай паўхвалевай частаце, аптычных інтэрпаляцыйных стратах і гэтак далей.
Крэмній, як аснова інтэграванай оптаэлектронікі, быў распрацаваны да гэтага часу, працэс з'яўляецца сталым, яго мініяцюрызацыя спрыяе маштабнай інтэграцыі актыўных/пасіўных прылад, а яго мадулятар шырока і глыбока вывучаны ў галіне аптычнай сувязі. Механізм электрааптычнай мадуляцыі крэмнію ў асноўным заключаецца ў знясіленні, інжэкцыі і назапашванні носьбітаў. Сярод іх, прапускная здольнасць мадулятара аптымальная з механізмам лінейнага знясілення носьбітаў, але паколькі размеркаванне аптычнага поля перакрываецца з нераўнамернасцю вобласці знясілення, гэты эфект прывядзе да нелінейных скажэнняў другога парадку і інтэрмадуляцыйных скажэнняў трэцяга парадку, у спалучэнні з эфектам паглынання носьбіта на святло, што прывядзе да зніжэння амплітуды аптычнай мадуляцыі і скажэнняў сігналу.
InP-мадулятар валодае выдатнымі электрааптычнымі эфектамі, а шматслаёвая структура квантавай ямы дазваляе ствараць звышвысокахуткасныя мадулятары з нізкім напружаннем кіравання з Vπ·L да 0,156 В·мм. Аднак змяненне паказчыка праламлення ў залежнасці ад электрычнага поля ўключае лінейныя і нелінейныя складнікі, і павелічэнне напружання электрычнага поля прывядзе да таго, што эфект другога парадку будзе прыкметным. Такім чынам, крэмніевыя і InP-электрааптычныя мадулятары павінны прымяняць зрушэнне для фарміравання p-n пераходу падчас іх працы, і p-n пераход прывядзе да страт паглынання святла. Аднак памер гэтых двух мадулятараў невялікі, камерцыйны памер InP-мадулятара складае 1/4 ад памеру LN-мадулятара. Высокая эфектыўнасць мадуляцыі, падыходзіць для лічбавых аптычных сетак перадачы з высокай шчыльнасцю і кароткімі адлегласцямі, такіх як цэнтры апрацоўкі дадзеных. Электрааптычны эфект ніабата літыя не мае механізму паглынання святла і мае нізкія страты, што падыходзіць для кагерэнтнай перадачы на вялікія адлегласці.аптычная сувязьз вялікай ёмістасцю і высокай хуткасцю. Пры выкарыстанні мікрахвалевых фатонаў электрааптычныя каэфіцыенты Si і InP нелінейныя, што не падыходзіць для мікрахвалевай фатоннай сістэмы, якая імкнецца да высокай лінейнасці і вялікай дынамікі. Матэрыял ніабату літыя вельмі падыходзіць для выкарыстання мікрахвалевых фатонаў дзякуючы свайму цалкам лінейнаму каэфіцыенту электрааптычнай мадуляцыі.
Час публікацыі: 22 красавіка 2024 г.