Πλεονεκτήματα και σημασία του νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης στην ενσωματωμένη τεχνολογία μικροκυμάτων φωτονίων
Τεχνολογία φωτονίων μικροκυμάτωνέχει τα πλεονεκτήματα του μεγάλου εύρους ζώνης εργασίας, της ισχυρής ικανότητας παράλληλης επεξεργασίας και της χαμηλής απώλειας μετάδοσης, που έχει τη δυνατότητα να σπάσει το τεχνικό στενό του παραδοσιακού συστήματος μικροκυμάτων και να βελτιώσει την απόδοση του στρατιωτικού ηλεκτρονικού εξοπλισμού πληροφοριών όπως ραντάρ, ηλεκτρονικός πόλεμος, επικοινωνία και μέτρηση και έλεγχος. Ωστόσο, το σύστημα μικροκυματικών φωτονίων που βασίζεται σε διακριτές συσκευές έχει ορισμένα προβλήματα, όπως μεγάλο όγκο, μεγάλο βάρος και κακή σταθερότητα, τα οποία περιορίζουν σοβαρά την εφαρμογή της τεχνολογίας μικροκυματικών φωτονίων σε διαστημικές και αερομεταφερόμενες πλατφόρμες. Ως εκ τούτου, η ενσωματωμένη τεχνολογία μικροκυμάτων φωτονίων γίνεται ένα σημαντικό στήριγμα για να σπάσει την εφαρμογή του φωτονίου μικροκυμάτων σε στρατιωτικά ηλεκτρονικά συστήματα πληροφοριών και να δώσει πλήρη εφαρμογή στα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων.
Επί του παρόντος, η τεχνολογία φωτονικής ολοκλήρωσης με βάση το SI και η τεχνολογία φωτονικής ολοκλήρωσης με βάση το INP έχουν γίνει ολοένα και πιο ώριμες μετά από χρόνια ανάπτυξης στον τομέα της οπτικής επικοινωνίας 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 ηλεκτρο-οπτικός συντελεστής του διαμορφωτή Si και του διαμορφωτή InP είναι αντίθετος με την υψηλή γραμμικότητα και τα μεγάλα δυναμικά χαρακτηριστικά που επιδιώκονται από τα μικροκύματα. τεχνολογία φωτονίων? Για παράδειγμα, ο οπτικός διακόπτης πυριτίου που πραγματοποιεί εναλλαγή οπτικής διαδρομής, είτε βασίζεται σε θερμο-οπτικό εφέ, πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ή εφέ διασποράς έγχυσης φορέα, έχει τα προβλήματα της αργής ταχύτητας μεταγωγής, της κατανάλωσης ενέργειας και της κατανάλωσης θερμότητας, τα οποία δεν μπορούν να ανταποκριθούν στη γρήγορη σάρωση δέσμης και εφαρμογές φωτονίων μικροκυμάτων μεγάλης κλίμακας.
Το νιοβικό λίθιο ήταν πάντα η πρώτη επιλογή για υψηλή ταχύτηταηλεκτροοπτική διαμόρφωσηυλικά λόγω της εξαιρετικής γραμμικής ηλεκτροοπτικής του επίδρασης. Ωστόσο, το παραδοσιακό νιοβικό λίθιοηλεκτρο-οπτικός διαμορφωτήςείναι κατασκευασμένο από τεράστιο υλικό κρυστάλλων νιοβικού λιθίου και το μέγεθος της συσκευής είναι πολύ μεγάλο, το οποίο δεν μπορεί να καλύψει τις ανάγκες της ενσωματωμένης τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων. Ο τρόπος ενσωμάτωσης υλικών νιοβικού λιθίου με γραμμικό ηλεκτρο-οπτικό συντελεστή στο ενσωματωμένο σύστημα τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων έχει γίνει 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 στη Φύση, επειδή η τεχνολογία έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής ολοκλήρωσης, του μεγάλου εύρους ζώνης ηλεκτρο-οπτικής διαμόρφωσης και της υψηλής γραμμικότητας της ηλεκτρο -Το οπτικό αποτέλεσμα, μόλις εκτοξεύτηκε, προκάλεσε αμέσως την ακαδημαϊκή και βιομηχανική προσοχή στον τομέα της φωτονικής ολοκλήρωσης και της φωτονικής μικροκυμάτων. Από την άποψη της εφαρμογής μικροκυματικών φωτονίων, αυτό το άρθρο εξετάζει την επίδραση και τη σημασία της τεχνολογίας ολοκλήρωσης φωτονίων που βασίζεται στο νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης στην ανάπτυξη της τεχνολογίας φωτονίων μικροκυμάτων.
Υλικό νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης και λεπτής μεμβράνηςδιαμορφωτής νιοβικού λιθίου
Τα τελευταία δύο χρόνια, ένας νέος τύπος υλικού νιοβικού λιθίου έχει εμφανιστεί, δηλαδή, η μεμβράνη νιοβικού λιθίου απολεπίζεται από τον τεράστιο κρύσταλλο νιοβικού λιθίου με τη μέθοδο του «τεμαχισμού ιόντων» και συνδέεται με τη γκοφρέτα Si με μια στρώση ρυθμιστικού διαλύματος πυριτίου για από υλικό LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], το οποίο ονομάζεται υλικό νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης σε αυτή την εργασία. Οι κυματοδηγοί κορυφογραμμής με ύψος μεγαλύτερο από 100 νανόμετρα μπορούν να χαραχθούν σε υλικά νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης με βελτιστοποιημένη διαδικασία ξηρής χάραξης και η διαφορά αποτελεσματικού δείκτη διάθλασης των κυματοδηγών που σχηματίζονται μπορεί να φτάσει περισσότερο από 0,8 (πολύ υψηλότερη από τη διαφορά δείκτη διάθλασης των παραδοσιακών κυματοδηγοί νιοβικού λιθίου 0,02), όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Ο έντονα περιορισμένος κυματοδηγός διευκολύνει την αντιστοίχιση του πεδίου φωτός με το πεδίο μικροκυμάτων κατά το σχεδιασμό του διαμορφωτή. Έτσι, είναι ωφέλιμο να επιτυγχάνεται χαμηλότερη τάση μισού κύματος και μεγαλύτερο εύρος ζώνης διαμόρφωσης σε μικρότερο μήκος.
Η εμφάνιση του υπομικρονικού κυματοδηγού νιοβικού λιθίου χαμηλής απώλειας σπάει το στενό σημείο 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 πεδίου οπτικού τρόπου λειτουργίας αυξάνεται σημαντικά και το vπ ·L μειώνεται από περισσότερο από 20 V·cm σε λιγότερο από 2,8 V·cm. Επομένως, κάτω από την ίδια τάση μισού κύματος, 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 κινούμενου κύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα, ο διαμορφωτής μπορεί να έχει τη δυνατότητα εξαιρετικά υψηλού εύρους ζώνης διαμόρφωσης μεγαλύτερο από 100 GHz.
Εικ. 1 (α) υπολογισμένη κατανομή τρόπου λειτουργίας και (β) εικόνα της διατομής του κυματοδηγού LN
Εικ. 2 (α) Κυματοδηγός και δομή ηλεκτροδίου και (β) συσχέτιση του διαμορφωτή LN
Η σύγκριση των διαμορφωτών νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης με τους παραδοσιακούς εμπορικούς διαμορφωτές νιοβικού λιθίου, τους διαμορφωτές με βάση το πυρίτιο και τους διαμορφωτές φωσφιδίου του ινδίου (InP) και άλλους υπάρχοντες ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας, οι κύριες παράμετροι της σύγκρισης περιλαμβάνουν:
(1) Προϊόν μήκους βολτ μισού κύματος (vπ ·L, V·cm), μετρώντας την απόδοση διαμόρφωσης του διαμορφωτή, όσο μικρότερη είναι η τιμή, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση διαμόρφωσης.
(2) Εύρος ζώνης διαμόρφωσης 3 dB (GHz), το οποίο μετρά την απόκριση του διαμορφωτή στη διαμόρφωση υψηλής συχνότητας.
(3) Απώλεια οπτικής εισαγωγής (dB) στην περιοχή διαμόρφωσης. Μπορεί να φανεί από τον πίνακα ότι ο διαμορφωτής νιοβάτη λιθίου λεπτής μεμβράνης έχει προφανή πλεονεκτήματα στο εύρος ζώνης διαμόρφωσης, την τάση μισού κύματος, 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 μικρογραφία του ευνοεί την ενσωμάτωση ενεργών/παθητικών συσκευών σε μεγάλη κλίμακα και ο διαμορφωτής του έχει μελετηθεί ευρέως και σε βάθος στον τομέα των οπτικών ανακοίνωση. Ο μηχανισμός ηλεκτρο-οπτικής διαμόρφωσης του πυριτίου είναι κυρίως η μείωση του φέροντος, η έγχυση φορέα και η συσσώρευση φορέα. Μεταξύ αυτών, το εύρος ζώνης του διαμορφωτή είναι βέλτιστο με τον μηχανισμό εξάντλησης γραμμικού βαθμού φορέα, αλλά επειδή η κατανομή του οπτικού πεδίου επικαλύπτεται με την ανομοιομορφία της περιοχής εξάντλησης, αυτό το φαινόμενο θα εισαγάγει μη γραμμική παραμόρφωση δεύτερης τάξης και παραμόρφωση ενδοδιαμόρφωσης τρίτης τάξης όρους, σε συνδυασμό με την επίδραση απορρόφησης του φορέα στο φως, η οποία θα οδηγήσει στη μείωση του πλάτους της οπτικής διαμόρφωσης και της παραμόρφωσης του σήματος.
Ο διαμορφωτής InP έχει εξαιρετικά ηλεκτρο-οπτικά εφέ και η πολυστρωματική κβαντική δομή φρεατίου μπορεί να πραγματοποιήσει διαμορφωτές τάσης οδήγησης εξαιρετικά υψηλού ρυθμού και χαμηλής τάσης με Vπ·L έως 0,156V · mm. Ωστόσο, η διακύμανση του δείκτη διάθλασης με το ηλεκτρικό πεδίο περιλαμβάνει γραμμικούς και μη γραμμικούς όρους και η αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου θα κάνει το φαινόμενο δεύτερης τάξης εμφανές. Επομένως, οι ηλεκτροοπτικοί διαμορφωτές πυριτίου και InP πρέπει να εφαρμόζουν μεροληψία για να σχηματίσουν διασταύρωση pn όταν λειτουργούν και η διασταύρωση pn θα φέρει στο φως απώλεια απορρόφησης. 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, κατάλληλο για δίκτυα ψηφιακής οπτικής μετάδοσης υψηλής πυκνότητας και μικρής απόστασης, όπως κέντρα δεδομένων. Το ηλεκτρο-οπτικό αποτέλεσμα του νιοβικού λιθίου δεν έχει μηχανισμό απορρόφησης φωτός και χαμηλή απώλεια, το οποίο είναι κατάλληλο για συνοχή μεγάλων αποστάσεωνοπτική επικοινωνίαμε μεγάλη χωρητικότητα και υψηλό ποσοστό. Στην εφαρμογή φωτονίων μικροκυμάτων, οι ηλεκτρο-οπτικοί συντελεστές του Si και του 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 εντελώς γραμμικού συντελεστή ηλεκτροοπτικής διαμόρφωσης του.
Ώρα δημοσίευσης: Απρ-22-2024