Перавагі і значэнне тонкаплёнкавага ніябату літыя ў інтэграванай мікрахвалевай фатоннай тэхналогіі
Мікрахвалевая фатонная тэхналогіямае такія перавагі, як шырокая рабочая паласа прапускання, моцная здольнасць паралельнай апрацоўкі і нізкія страты пры перадачы, што можа зламаць тэхнічнае вузкае месца традыцыйнай мікрахвалевай сістэмы і палепшыць прадукцыйнасць ваеннага электроннага інфармацыйнага абсталявання, такога як радар, радыёэлектронная барацьба, сувязь і вымярэнне і кантроль.Аднак мікрахвалевая фатонная сістэма, заснаваная на дыскрэтных прыладах, мае некаторыя праблемы, такія як вялікі аб'ём, вялікая вага і нізкая стабільнасць, якія сур'ёзна абмяжоўваюць прымяненне мікрахвалевай фатоннай тэхналогіі ў касмічных і паветраных платформах.Такім чынам, інтэграваная мікрахвалевая фатонная тэхналогія становіцца важнай падтрымкай для спынення прымянення мікрахвалевай фатоннай сістэмы ў ваеннай электроннай інфармацыйнай сістэме і поўнага выкарыстання пераваг мікрахвалевай фатоннай тэхналогіі.
У цяперашні час тэхналогія фатоннай інтэграцыі на аснове SI і тэхналогія фатоннай інтэграцыі на аснове INP становяцца ўсё больш і больш сталымі пасля многіх гадоў развіцця ў галіне аптычнай сувязі, і на рынак выпушчана мноства прадуктаў.Аднак для прымянення мікрахвалевага фатона ёсць некаторыя праблемы ў гэтых двух відах тэхналогій інтэграцыі фатонаў: напрыклад, нелінейны электрааптычны каэфіцыент мадулятара Si і мадулятара InP супярэчыць высокай лінейнасці і вялікім дынамічным характарыстыкам, якім дамагаюцца мікрахвалевыя выпраменьванні. фатонная тэхналогія;Напрыклад, крамянёвы аптычны перамыкач, які рэалізуе аптычнае пераключэнне траекторый, незалежна ад таго, заснаванае на тэрмааптычным эфекце, п'езаэлектрычным эфекце або эфекце дысперсіі ін'екцыі носьбіта, мае праблемы з нізкай хуткасцю пераключэння, энергаспажываннем і цепласпажываннем, якія не могуць задаволіць хуткае прамянёвае сканіраванне і прымяненне мікрахвалевых фатонаў вялікага масіва.
Ніябат літыя заўсёды быў першым выбарам для высокай хуткасціэлектрааптычная мадуляцыяматэрыялаў дзякуючы выдатнаму лінейнаму электрааптычнаму эфекту.Аднак традыцыйны ніябат літыяэлектрааптычны мадулятарвыраблены з масіўнага крышталя ніябату літыя, а памер прылады вельмі вялікі, што не можа задаволіць патрэбы інтэграванай мікрахвалевай фатоннай тэхналогіі.Як інтэграваць матэрыялы з ніябату літыя з лінейным электрааптычным каэфіцыентам у інтэграваную сістэму мікрахвалевай фатоннай тэхналогіі стала мэтай адпаведных даследчыкаў.У 2018 годзе даследчая група з Гарвардскага ўніверсітэта ў ЗША ўпершыню паведаміла пра тэхналогію фатоннай інтэграцыі на аснове тонкаплёнкавага ніябату літыя ў Nature, таму што гэтая тэхналогія мае такія перавагі, як высокая інтэграцыя, вялікая паласа электрааптычнай мадуляцыі і высокая лінейнасць электра -аптычны эфект, як толькі быў запушчаны, ён адразу ж выклікаў акадэмічную і прамысловую ўвагу ў галіне фатоннай інтэграцыі і мікрахвалевай фатонікі.З пункту гледжання прымянення мікрахвалевых фатонаў, у гэтым артыкуле разглядаецца ўплыў і значэнне тэхналогіі інтэграцыі фатонаў на аснове тонкаплёнкавага ніябату літыя на развіццё тэхналогіі мікрахвалевых фатонаў.
Тонкаплёнкавы ніябат літыя матэрыял і тонкая плёнкамодулятор ниобата літыя
За апошнія два гады з'явіўся новы тып матэрыялу ніябату літыя, гэта значыць плёнка ніябату літыя адслойваецца ад масіўнага крышталя ніябату літыя метадам «нарэзкі іёнаў» і злучаецца з пласцінай Si буферным пластом з дыяксіду крэмнія, каб утвараюць матэрыял LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], які ў гэтай працы называецца тонкаплёнкавым матэрыялам з ніябату літыя.Грыбавыя хваляводы вышынёй больш за 100 нанаметраў можна выгравіраваць на тонкаплёнкавых матэрыялах з ніябату літыя з дапамогай аптымізаванага працэсу сухога тручэння, а эфектыўная розніца паказчыкаў праламлення сфармаваных хваляводаў можа дасягаць больш за 0,8 (значна вышэй, чым розніца паказчыкаў праламлення традыцыйных хваляводы з ніябату літыя 0,02), як паказана на малюнку 1. Моцна абмежаваны хвалявод палягчае супастаўленне светлавога поля з мікрахвалевым полем пры распрацоўцы мадулятара.Такім чынам, выгадна дасягнуць больш нізкага напружання паўхвалі і большай паласы прапускання мадуляцыі пры меншай даўжыні.
З'яўленне субмікроннага хвалявода з нізкімі стратамі на ніябаце літыя ліквідуе вузкае месца высокага кіруючага напружання традыцыйнага электрааптычнага модулятара з ніябату літыя.Адлегласць паміж электродамі можа быць зменшана да ~ 5 мкм, і перакрыцце паміж электрычным полем і полем аптычнай моды значна павялічваецца, і vπ ·L памяншаецца з больш чым 20 В·см да менш чым 2,8 В·см.Такім чынам, пры аднолькавай паўхвалі напружання даўжыня прылады можа быць значна зменшана ў параўнанні з традыцыйным мадулятарам.У той жа час, пасля аптымізацыі параметраў шырыні, таўшчыні і інтэрвалу электрода бягучай хвалі, як паказана на малюнку, мадулятар можа мець магчымасць звышвысокай паласы прапускання мадуляцыі больш за 100 ГГц.
Мал.1 （a） разлічанае размеркаванне мод і （b） відарыс папярочнага перасеку хвалявода LN
Мал. 2 (a) Структура хвалявода і электрода і (b) асноўная пласціна модулятара LN
Параўнанне тонкаплёнкавых мадулятараў ніябату літыя з традыцыйнымі камерцыйнымі мадулятарамі ніябату літыя, мадулятарамі на аснове крэмнію і мадулятарамі з фасфіду індыя (InP) і іншымі існуючымі высакахуткаснымі электрааптычнымі мадулятарамі. Асноўныя параметры параўнання ўключаюць:
(1) Паўхвалевы прадукт даўжыні вольта (vπ ·L, В·см), вымярэнне эфектыўнасці 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 ўносяцца страты (дБ) у вобласці мадуляцыі.З табліцы відаць, што тонкаплёнкавы мадулятар з ніябату літыя мае відавочныя перавагі ў прапускной здольнасці мадуляцыі, паўхвалевай напрузе, стратах аптычнай інтэрпаляцыі і гэтак далей.
Крэмній, як краевугольны камень інтэграванай оптаэлектронікі, быў распрацаваны да гэтага часу, працэс спелы, яго мініяцюрызацыя спрыяе шырокамаштабнай інтэграцыі актыўных/пасіўных прылад, а яго мадулятар шырока і глыбока вывучаны ў галіне аптычных сувязі.Механізм электрааптычнай мадуляцыі крэмнію ў асноўным заключаецца ў памяншэнні носьбітаў, увядзенні і назапашванні носьбітаў.Сярод іх паласа прапускання мадулятара з'яўляецца аптымальнай з механізмам знясілення носьбітаў лінейнай ступені, але паколькі размеркаванне аптычнага поля перакрываецца з нераўнамернасцю вобласці знясілення, гэты эфект прывядзе да нелінейных скажэнняў другога парадку і інтэрмадуляцыйных скажэнняў трэцяга парадку тэрміны ў спалучэнні з эфектам паглынання носьбітам святла, што прывядзе да памяншэння амплітуды аптычнай мадуляцыі і скажэння сігналу.
Мадулятар InP валодае выдатнымі электрааптычнымі эфектамі, а структура шматслаёвай квантавай ямы можа рэалізаваць мадулятары звышвысокай хуткасці і нізкага напружання ўзбуджальніка з Vπ·L да 0,156 В · мм.Аднак змяненне паказчыка праламлення ў залежнасці ад электрычнага поля ўключае лінейныя і нелінейныя члены, і павелічэнне інтэнсіўнасці электрычнага поля зробіць эфект другога парадку прыкметным.Такім чынам, крамянёвыя і InP электрааптычныя мадулятары павінны ўжываць зрушэнне, каб утварыць pn-пераход, калі яны працуюць, і pn-пераход будзе выяўляць страты паглынання.Аднак памер модулятора гэтых двух невялікі, памер камерцыйнага модулятара InP складае 1/4 ад модулятара LN.Высокая эфектыўнасць мадуляцыі, падыходзіць для лічбавых аптычных сетак перадачы з высокай шчыльнасцю і на кароткія адлегласці, такіх як цэнтры апрацоўкі дадзеных.Электрааптычны эфект ніябату літыя не мае механізму паглынання святла і мае нізкія страты, што падыходзіць для кагерэнтнай сувязі на вялікай адлегласціаптычная сувязьз вялікай ёмістасцю і высокай хуткасцю.У прымяненні мікрахвалевых фатонаў электрааптычныя каэфіцыенты Si і InP з'яўляюцца нелінейнымі, што не падыходзіць для сістэмы мікрахвалевых фатонаў, якая імкнецца да высокай лінейнасці і вялікай дынамікі.Матэрыял ніябату літыя вельмі прыдатны для прымянення мікрахвалевых фатонаў з-за яго цалкам лінейнага каэфіцыента электрааптычнай мадуляцыі.
Час публікацыі: 22 красавіка 2024 г