Πλεονεκτήματα και σημασία του λεπτού υμενίου νιοβικού λιθίου στην ολοκληρωμένη τεχνολογία φωτονίων μικροκυμάτων
Τεχνολογία φωτονίων μικροκυμάτωνΈχει τα πλεονεκτήματα του μεγάλου εύρους ζώνης λειτουργίας, της ισχυρής ικανότητας παράλληλης επεξεργασίας και της χαμηλής απώλειας μετάδοσης, η οποία έχει τη δυνατότητα να σπάσει το τεχνικό εμπόδιο των παραδοσιακών συστημάτων μικροκυμάτων και να βελτιώσει την απόδοση του στρατιωτικού ηλεκτρονικού εξοπλισμού πληροφοριών, όπως το ραντάρ, ο ηλεκτρονικός πόλεμος, η επικοινωνία, η μέτρηση και ο έλεγχος. Ωστόσο, το σύστημα φωτονίων μικροκυμάτων που βασίζεται σε διακριτές συσκευές παρουσιάζει ορισμένα προβλήματα, όπως ο μεγάλος όγκος, το βαρύ βάρος και η κακή σταθερότητα, τα οποία περιορίζουν σοβαρά την εφαρμογή της τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων σε διαστημικές και αεροπορικές πλατφόρμες. Επομένως, η ενσωματωμένη τεχνολογία φωτονίων μικροκυμάτων γίνεται μια σημαντική υποστήριξη για να σπάσει η εφαρμογή των φωτονίων μικροκυμάτων σε στρατιωτικά ηλεκτρονικά συστήματα πληροφοριών και να αξιοποιηθούν πλήρως τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων.
Προς το παρόν, η τεχνολογία φωτονικής ολοκλήρωσης που βασίζεται στο SI και η τεχνολογία φωτονικής ολοκλήρωσης που βασίζεται στο INP έχουν γίνει όλο και πιο ώριμες μετά από χρόνια ανάπτυξης στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών, και πολλά προϊόντα έχουν διατεθεί στην αγορά. Ωστόσο, για την εφαρμογή φωτονίων μικροκυμάτων, υπάρχουν ορισμένα προβλήματα σε αυτά τα δύο είδη τεχνολογιών ολοκλήρωσης φωτονίων: για παράδειγμα, ο μη γραμμικός ηλεκτροοπτικός συντελεστής του διαμορφωτή Si και του διαμορφωτή InP είναι αντίθετος με την υψηλή γραμμικότητα και τα μεγάλα δυναμικά χαρακτηριστικά που επιδιώκει η τεχνολογία φωτονίων μικροκυμάτων. Για παράδειγμα, ο οπτικός διακόπτης πυριτίου που πραγματοποιεί εναλλαγή οπτικής διαδρομής, είτε βασίζεται σε θερμικό-οπτικό φαινόμενο, πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είτε σε φαινόμενο διασποράς έγχυσης φορέα, έχει τα προβλήματα της αργής ταχύτητας εναλλαγής, της κατανάλωσης ενέργειας και της κατανάλωσης θερμότητας, τα οποία δεν μπορούν να ανταποκριθούν στις εφαρμογές φωτονίων μικροκυμάτων γρήγορης σάρωσης δέσμης και μεγάλης κλίμακας συστοιχίας.
Το νιοβικό λίθιο ήταν πάντα η πρώτη επιλογή για υψηλή ταχύτηταηλεκτροοπτική διαμόρφωσηυλικά λόγω του εξαιρετικού γραμμικού ηλεκτροοπτικού αποτελέσματος. Ωστόσο, το παραδοσιακό νιοβικό λίθιοηλεκτροοπτικός διαμορφωτήςΕίναι κατασκευασμένο από ογκώδες κρυσταλλικό υλικό νιοβικού λιθίου και το μέγεθος της συσκευής είναι πολύ μεγάλο, γεγονός που δεν μπορεί να καλύψει τις ανάγκες της ολοκληρωμένης τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων. Ο τρόπος ενσωμάτωσης υλικών νιοβικού λιθίου με γραμμικό ηλεκτροοπτικό συντελεστή στο ολοκληρωμένο σύστημα τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων έχει γίνει ο στόχος των σχετικών ερευνητών. Το 2018, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέφερε για πρώτη φορά την τεχνολογία φωτονικής ολοκλήρωσης που βασίζεται σε νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης στο Nature, επειδή η τεχνολογία έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής ολοκλήρωσης, του μεγάλου εύρους ζώνης ηλεκτροοπτικής διαμόρφωσης και της υψηλής γραμμικότητας του ηλεκτροοπτικού φαινομένου. Μόλις ξεκίνησε, προκάλεσε αμέσως την ακαδημαϊκή και βιομηχανική προσοχή στον τομέα της φωτονικής ολοκλήρωσης και της φωτονικής μικροκυμάτων. Από την οπτική γωνία της εφαρμογής φωτονίων μικροκυμάτων, η παρούσα εργασία εξετάζει την επίδραση και τη σημασία της τεχνολογίας ολοκλήρωσης φωτονίων που βασίζεται σε νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης στην ανάπτυξη της τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων.
Λεπτό φιλμ νιοβικού λιθίου και λεπτή μεμβράνηδιαμορφωτή νιοβικού λιθίου
Τα τελευταία δύο χρόνια, έχει αναδυθεί ένας νέος τύπος υλικού νιοβικού λιθίου, δηλαδή, η μεμβράνη νιοβικού λιθίου απολεπίζεται από τον ογκώδη κρύσταλλο νιοβικού λιθίου με τη μέθοδο της «τεμαχισμού ιόντων» και συνδέεται με το πλακίδιο Si με ένα στρώμα ρυθμιστικού πυριτίου για να σχηματίσει υλικό LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], το οποίο ονομάζεται υλικό λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου σε αυτή την εργασία. Οι κυματοδηγοί κορυφογραμμής με ύψος μεγαλύτερο από 100 νανόμετρα μπορούν να χαραχθούν σε υλικά λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου με βελτιστοποιημένη διαδικασία ξηρής χάραξης και η αποτελεσματική διαφορά δείκτη διάθλασης των κυματοδηγών που σχηματίζονται μπορεί να φτάσει περισσότερο από 0,8 (πολύ υψηλότερη από τη διαφορά δείκτη διάθλασης των παραδοσιακών κυματοδηγών νιοβικού λιθίου που είναι 0,02), όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Ο έντονα περιορισμένος κυματοδηγός διευκολύνει την αντιστοίχιση του φωτεινού πεδίου με το πεδίο μικροκυμάτων κατά το σχεδιασμό του διαμορφωτή. Έτσι, είναι ωφέλιμο να επιτευχθεί χαμηλότερη τάση ημικύματος και μεγαλύτερο εύρος ζώνης διαμόρφωσης σε μικρότερο μήκος.
Η εμφάνιση του υπομικρονικού κυματοδηγού νιοβικού λιθίου χαμηλής απώλειας σπάει το σημείο συμφόρησης της υψηλής τάσης οδήγησης του παραδοσιακού ηλεκτροοπτικού διαμορφωτή νιοβικού λιθίου. Η απόσταση των ηλεκτροδίων μπορεί να μειωθεί σε ~ 5 μm και η επικάλυψη μεταξύ του ηλεκτρικού πεδίου και του οπτικού πεδίου λειτουργίας αυξάνεται σημαντικά και το vπ·L μειώνεται από περισσότερο από 20 V·cm σε λιγότερο από 2,8 V·cm. Επομένως, υπό την ίδια τάση ημικύματος, το μήκος της συσκευής μπορεί να μειωθεί σημαντικά σε σύγκριση με τον παραδοσιακό διαμορφωτή. Ταυτόχρονα, μετά τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων του πλάτους, του πάχους και του διαστήματος του ηλεκτροδίου ταξιδιού κύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα, ο διαμορφωτής μπορεί να έχει την ικανότητα εξαιρετικά υψηλού εύρους ζώνης διαμόρφωσης μεγαλύτερου από 100 GHz.
Σχήμα 1 (α) υπολογισμένη κατανομή τρόπου λειτουργίας και (β) εικόνα της διατομής του κυματοδηγού LN
Σχήμα 2 (α) Δομή κυματοδηγού και ηλεκτροδίου και (β) πλάκα πυρήνα του διαμορφωτή LN
Η σύγκριση των διαμορφωτών λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου με τους παραδοσιακούς εμπορικούς διαμορφωτές νιοβικού λιθίου, τους διαμορφωτές με βάση το πυρίτιο και τους διαμορφωτές φωσφιδίου του ινδίου (InP) και άλλους υπάρχοντες ηλεκτροοπτικούς διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας, οι κύριες παράμετροι της σύγκρισης περιλαμβάνουν:
(1) Γινόμενο ημικύματος βολτ-μήκους (vπ ·L, V·cm), που μετρά την απόδοση διαμόρφωσης του διαμορφωτή. Όσο μικρότερη είναι η τιμή, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση διαμόρφωσης.
(2) εύρος ζώνης διαμόρφωσης 3 dB (GHz), το οποίο μετρά την απόκριση του διαμορφωτή σε διαμόρφωση υψηλής συχνότητας·
(3) Οπτική απώλεια εισαγωγής (dB) στην περιοχή διαμόρφωσης. Από τον πίνακα φαίνεται ότι ο διαμορφωτής νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης έχει προφανή πλεονεκτήματα στο εύρος ζώνης διαμόρφωσης, την τάση ημικύματος, την απώλεια οπτικής παρεμβολής και ούτω καθεξής.
Το πυρίτιο, ως ο ακρογωνιαίος λίθος της ολοκληρωμένης οπτοηλεκτρονικής, έχει αναπτυχθεί μέχρι στιγμής, η διαδικασία είναι ώριμη, η σμίκρυνση του ευνοεί την ενσωμάτωση ενεργών/παθητικών συσκευών μεγάλης κλίμακας και ο διαμορφωτής του έχει μελετηθεί ευρέως και σε βάθος στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών. Ο μηχανισμός ηλεκτροοπτικής διαμόρφωσης του πυριτίου είναι κυρίως η μείωση του φορέα, η έγχυση φορέα και η συσσώρευση φορέα. Μεταξύ αυτών, το εύρος ζώνης του διαμορφωτή είναι βέλτιστο με τον μηχανισμό γραμμικής μείωσης φορέα, αλλά επειδή η κατανομή του οπτικού πεδίου επικαλύπτεται με την ανομοιομορφία της περιοχής μείωσης, αυτό το φαινόμενο θα εισαγάγει μη γραμμικούς όρους παραμόρφωσης δεύτερης τάξης και παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης τρίτης τάξης, σε συνδυασμό με το φαινόμενο απορρόφησης του φορέα στο φως, γεγονός που θα οδηγήσει στη μείωση του πλάτους της οπτικής διαμόρφωσης και της παραμόρφωσης του σήματος.
Ο διαμορφωτής InP έχει εξαιρετικά ηλεκτροοπτικά αποτελέσματα και η πολυστρωματική δομή κβαντικού φρέατος μπορεί να υλοποιήσει διαμορφωτές εξαιρετικά υψηλού ρυθμού και χαμηλής τάσης οδήγησης με Vπ·L έως 0,156V · mm. Ωστόσο, η μεταβολή του δείκτη διάθλασης με το ηλεκτρικό πεδίο περιλαμβάνει γραμμικούς και μη γραμμικούς όρους και η αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου θα καταστήσει το φαινόμενο δεύτερης τάξης εμφανές. Επομένως, οι ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές πυριτίου και InP πρέπει να εφαρμόσουν πόλωση για να σχηματίσουν επαφή pn όταν λειτουργούν και η επαφή pn θα φέρει την απώλεια απορρόφησης στο φως. Ωστόσο, το μέγεθος του διαμορφωτή αυτών των δύο είναι μικρό, το εμπορικό μέγεθος του διαμορφωτή InP είναι το 1/4 του διαμορφωτή LN. Υψηλή απόδοση διαμόρφωσης, κατάλληλη για δίκτυα ψηφιακής οπτικής μετάδοσης υψηλής πυκνότητας και μικρών αποστάσεων, όπως κέντρα δεδομένων. Η ηλεκτροοπτική επίδραση του νιοβικού λιθίου δεν έχει μηχανισμό απορρόφησης φωτός και χαμηλή απώλεια, η οποία είναι κατάλληλη για συνεκτικά δίκτυα μεγάλων αποστάσεων.οπτική επικοινωνίαμε μεγάλη χωρητικότητα και υψηλό ρυθμό. Στην εφαρμογή φωτονίων μικροκυμάτων, οι ηλεκτροοπτικοί συντελεστές των Si και InP είναι μη γραμμικοί, κάτι που δεν είναι κατάλληλο για το σύστημα φωτονίων μικροκυμάτων που επιδιώκει υψηλή γραμμικότητα και μεγάλη δυναμική. Το υλικό νιοβικού λιθίου είναι πολύ κατάλληλο για εφαρμογή φωτονίων μικροκυμάτων λόγω του πλήρως γραμμικού συντελεστή ηλεκτροοπτικής διαμόρφωσης.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Απριλίου 2024