Virdeeler a Bedeitung vu Dënnfilmlithiumniobat an der integréierter Mikrowellenphotonentechnologie
Mikrowellen-Photonentechnologiehuet d'Virdeeler vun enger grousser Aarbechtsbandbreet, enger staarker paralleler Veraarbechtungskapazitéit a gerénger Transmissiounsverloscht, wat de Potenzial huet, den techneschen Engpass vun traditionelle Mikrowellesystemer ze briechen an d'Leeschtung vu militäreschen elektroneschen Informatiounsausrüstung wéi Radar, elektronesch Krichsféierung, Kommunikatioun a Miessung a Kontroll ze verbesseren. Wéi och ëmmer, de Mikrowelle-Photonensystem baséiert op diskreten Apparater huet e puer Problemer wéi grouss Volumen, schwéiert Gewiicht a schlecht Stabilitéit, déi d'Uwendung vun der Mikrowelle-Photonentechnologie a Weltraum- a Loftplattforme eescht limitéieren. Dofir gëtt integréiert Mikrowelle-Photonentechnologie zu enger wichteger Ënnerstëtzung fir d'Uwendung vu Mikrowelle-Photonen a militäreschen elektroneschen Informatiounssystemer ze briechen an d'Virdeeler vun der Mikrowelle-Photonentechnologie voll auszenotzen.
Aktuell sinn d'SI-baséiert photonesch Integratiounstechnologie an d'INP-baséiert photonesch Integratiounstechnologie no Jore vun Entwécklung am Beräich vun der optescher Kommunikatioun ëmmer méi reif ginn, an et goufen eng ganz Rëtsch Produkter um Maart bruecht. Wéi och ëmmer, fir d'Uwendung vu Mikrowellephotonen gëtt et e puer Problemer mat dësen zwou Aarte vu Photonenintegratiounstechnologien: zum Beispill steet den netlinearen elektrooptesche Koeffizient vum Si-Modulator an dem InP-Modulator am Géigesaz zu der héijer Linearitéit an den héijen dynamesche Charakteristiken, déi vun der Mikrowellephotonentechnologie verfollegt ginn; Zum Beispill huet den optesche Siliziumschalter, deen d'optesch Weewiessel realiséiert, egal ob baséiert op thermesch-opteschen Effekt, piezoelektreschen Effekt oder Carrier-Injektiounsdispersiounseffekt, d'Problemer vu lueser Schaltgeschwindegkeet, Energieverbrauch a Wärmeverbrauch, wat net den Uwendungen vu schnelle Strahlscanning a groussskalege Mikrowellephotonen gerecht ka ginn.
Lithiumniobat war ëmmer déi éischt Wiel fir héich Geschwindegkeetelektrooptesch ModulatiounMaterialien wéinst sengem exzellenten linearen elektroopteschen Effekt. Wéinst deem ass dat traditionellt Lithiumniobat awerelektrooptesche Modulatorass aus massivem Lithiumniobat-Kristallmaterial gemaach, an d'Gréisst vum Apparat ass ganz grouss, wat net den Ufuerderunge vun der integréierter Mikrowellenphotonentechnologie gerecht ka ginn. Wéi Lithiumniobatmaterialien mat engem linearen elektrooptesche Koeffizient an den integréierte Mikrowellenphotonentechnologiesystem integréiert kënne ginn, ass zum Zil vun de relevante Fuerscher ginn. Am Joer 2018 huet e Fuerschungsteam vun der Harvard University an den USA fir d'éischt Kéier d'photonesch Integratiounstechnologie baséiert op Dënnfilmlithiumniobat an der Nature publizéiert. Well d'Technologie d'Virdeeler vun héijer Integratioun, grousser elektrooptescher Modulatiounsbandbreet an héijer Linearitéit vum elektroopteschen Effekt huet, huet se no der Aféierung direkt d'akademesch an industriell Opmierksamkeet am Beräich vun der photonescher Integratioun a Mikrowellenphotonik op sech gezunn. Aus der Perspektiv vun der Uwendung vu Mikrowellenphotonen iwwerpréift dësen Artikel den Afloss an d'Bedeitung vun der Photonenintegratiounstechnologie baséiert op Dënnfilmlithiumniobat op d'Entwécklung vun der Mikrowellenphotonentechnologie.
Dënnfilm-Lithiumniobatmaterial a DënnfilmLithiumniobat-Modulator
An de leschten zwee Joer ass eng nei Zort Lithiumniobatmaterial entstanen, dat heescht, de Lithiumniobatfilm gëtt vum massive Lithiumniobatkristall duerch d'Method vum "Ionenschneiden" ofgepeelt an mat enger Siliziumdioxid-Pufferschicht un de Si-Wafer gebonnen, fir LNOI (LiNbO3-On-Insulator) Material [5] ze bilden, wat an dëser Aarbecht Dënnfilm-Lithiumniobatmaterial genannt gëtt. Ridge-Wellenleiter mat enger Héicht vu méi wéi 100 Nanometer kënnen op Dënnfilm-Lithiumniobatmaterialien duerch en optiméierten Dréchenätzprozess geätzt ginn, an den effektiven Breechungsindexënnerscheed vun de geformte Wellenleiter kann méi wéi 0,8 erreechen (vill méi héich wéi den Breechungsindexënnerscheed vun traditionelle Lithiumniobat-Wellenleiter vun 0,02), wéi an der Figur 1 gewisen. De staark ageschränkte Wellenleiter mécht et méi einfach, d'Liichtfeld mam Mikrowellenfeld unzepassen, wann de Modulator entwéckelt gëtt. Dofir ass et virdeelhaft, eng méi niddreg Hallefwellespannung an eng méi grouss Modulatiounsbandbreet an enger méi kuerzer Längt z'erreechen.
D'Erscheinung vun engem Lithium-Niobat-Submikron-Wellenleiter mat geréngem Verloscht brécht den Engpass vun der héijer Undriffsspannung vum traditionelle Lithium-Niobat-elektrooptesche Modulator. Den Ofstand tëscht den Elektroden kann op ~ 5 μm reduzéiert ginn, an d'Iwwerlappung tëscht dem elektresche Feld an dem optesche Modusfeld gëtt staark erhéicht, an de vπ ·L hëlt vu méi wéi 20 V·cm op manner wéi 2,8 V·cm of. Dofir kann ënner der selwechter Hallefwellespannung d'Längt vum Apparat am Verglach mam traditionelle Modulator staark reduzéiert ginn. Gläichzäiteg, nodeems d'Parameter vun der Breet, der Déckt an dem Ofstand vun der Wanderwelleelektrode optimiséiert goufen, wéi an der Figur gewisen, kann de Modulator d'Fäegkeet hunn, eng ultrahéich Modulatiounsbandbreet vu méi wéi 100 GHz ze hunn.
Fig. 1 (a) berechent Modusverdeelung an (b) Bild vum Querschnitt vum LN-Wellenleiter
Fig. 2 (a) Wellenleiter- an Elektrodenstruktur a (b) Kärplack vum LN-Modulator
De Verglach vun Dënnfilm-Lithiumniobat-Modulatoren mat traditionelle kommerzielle Lithiumniobat-Modulatoren, Silizium-baséierte Modulatoren an Indiumphosphid (InP)-Modulatoren an aner existent Héichgeschwindegkeets-elektrooptesch Modulatoren, déi wichtegst Parameter vum Verglach sinn:
(1) Hallefwelle-Spannungslängtprodukt (vπ ·L, V·cm), Moossung vun der Modulatiounseffizienz vum Modulator, wat méi kleng de Wäert ass, wat méi héich d'Modulatiounseffizienz ass;
(2) 3 dB Modulatiounsbandbreet (GHz), déi d'Reaktioun vum Modulator op Héichfrequenzmodulatioun moosst;
(3) Opteschen Insertiounsverloscht (dB) am Modulatiounsberäich. Aus der Tabelle kann een erkennen, datt den Dënnfilm-Lithiumniobat-Modulator offensichtlech Virdeeler a punkto Modulatiounsbandbreet, Hallefwellespannung, opteschen Interpolatiounsverloscht asw. huet.
Silizium, als Eckpfeiler vun der integréierter Optoelektronik, ass bis elo entwéckelt ginn, de Prozess ass reif, seng Miniaturiséierung ass fir déi grouss Integratioun vun aktiven/passiven Apparater gëeegent, a säi Modulator gouf wäit an déifgräifend am Beräich vun der optescher Kommunikatioun studéiert. Den elektrooptesche Modulatiounsmechanismus vu Silizium besteet haaptsächlech aus der Entféierung vun Trägerträger, der Injektioun vun Trägerträger an der Akkumulatioun vun Trägerträger. Dorënner ass d'Bandbreet vum Modulator optimal mam lineare Grad vun der Trägerträgerentféierung, awer well d'optesch Feldverdeelung sech mat der Net-Uniformitéit vun der Entféierungsregioun iwwerlappt, féiert dësen Effekt zu netlineare Verzerrung vun zweeter Uerdnung an Intermodulatiounsverzerrung vun drëtter Uerdnung, gekoppelt mam Absorptiounseffekt vum Trägerträger op d'Liicht, wat zu enger Reduktioun vun der optescher Modulatiounsamplitude an der Signalverzerrung féiert.
Den InP-Modulator huet aussergewéinlech elektrooptesch Effekter, an déi méischichteg Quantebrunnstruktur kann ultrahéich Geschwindegkeets- a niddreg Undriffsspannungsmodulatoren mat Vπ·L bis zu 0,156V·mm realiséieren. D'Variatioun vum Breechungsindex mam elektresche Feld enthält awer linear an netlinear Termen, an d'Erhéijung vun der elektrescher Feldintensitéit mécht den Effekt vun zweeter Uerdnung prominent. Dofir mussen d'elektrooptesch Modulatoren aus Silizium an InP eng Virspannung uwenden, fir eng PN-Verbindung ze bilden, wa se schaffen, an d'PN-Verbindung bréngt Absorptiounsverloschter am Liicht mat sech. D'Modulatorgréisst vun dësen zwee ass awer kleng, d'Gréisst vun der kommerzieller InP-Modulator ass 1/4 vun der LN-Modulator. Héich Modulatiounseffizienz, gëeegent fir digital optesch Iwwerdroungsnetzwierker mat héijer Dicht a kuerzer Distanz, wéi z. B. Datenzentren. Den elektroopteschen Effekt vu Lithiumniobat huet kee Liichtabsorptiounsmechanismus a niddrege Verloschter, wat fir kohärent Transmissiounen op laange Distanzen gëeegent ass.optesch Kommunikatiounmat grousser Kapazitéit an héijer Rate. An der Mikrowellephotonenapplikatioun sinn d'elektrooptesch Koeffizienten vu Si an InP netlinear, wat net gëeegent ass fir de Mikrowellephotonensystem, deen eng héich Linearitéit a grouss Dynamik verfollegt. D'Lithiumniobatmaterial ass ganz gëeegent fir Mikrowellephotonenapplikatiounen wéinst sengem komplett linearen elektrooptesche Modulatiounskoeffizient.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 22. Abrëll 2024