Bahan litium niobate pilem ipis sareng modulator litium niobate pilem ipis

Kaunggulan sareng pentingna litium niobate pilem ipis dina téknologi foton gelombang mikro terpadu

Téhnologi foton gelombang mikroMibanda kaunggulan bandwidth kerja anu ageung, kamampuan pamrosésan paralel anu kuat sareng leungitna transmisi anu handap, anu gaduh poténsi pikeun megatkeun hambatan téknis sistem gelombang mikro tradisional sareng ningkatkeun kinerja alat inpormasi éléktronik militer sapertos radar, perang éléktronik, komunikasi sareng pangukuran sareng kontrol. Nanging, sistem foton gelombang mikro dumasar kana alat diskrit ngagaduhan sababaraha masalah sapertos volume anu ageung, beurat anu beurat sareng stabilitas anu goréng, anu sacara serius ngawatesan aplikasi téknologi foton gelombang mikro dina platform luar angkasa sareng udara. Ku alatan éta, téknologi foton gelombang mikro anu terintegrasi janten dukungan penting pikeun megatkeun aplikasi foton gelombang mikro dina sistem inpormasi éléktronik militer sareng masihan maén pinuh kana kaunggulan téknologi foton gelombang mikro.

Ayeuna, téknologi integrasi fotonik berbasis SI sareng téknologi integrasi fotonik berbasis INP parantos beuki dewasa saatos mangtaun-taun dikembangkeun dina widang komunikasi optik, sareng seueur produk anu parantos dipasarkan. Nanging, pikeun aplikasi foton gelombang mikro, aya sababaraha masalah dina dua jinis téknologi integrasi foton ieu: contona, koéfisién éléktro-optik nonlinier tina modulator Si sareng modulator InP bertentangan sareng linieritas anu luhur sareng karakteristik dinamis anu ageung anu diudag ku téknologi foton gelombang mikro; Salaku conto, saklar optik silikon anu ngawujudkeun switching jalur optik, naha dumasar kana pangaruh termal-optik, pangaruh piezoelektrik, atanapi pangaruh dispersi injeksi pamawa, ngagaduhan masalah kecepatan switching anu laun, konsumsi daya sareng konsumsi panas, anu henteu tiasa nyumponan aplikasi scanning sinar gancang sareng foton gelombang mikro skala ageung.

Litium niobate salawasna janten pilihan munggaran pikeun kecepatan tinggimodulasi éléktro-optikbahan kusabab pangaruh éléktro-optik linier anu saé pisan. Nanging, niobate litium tradisionalmodulator éléktro-optikdijieunna tina bahan kristal litium niobate anu masif, sareng ukuran alatna ageung pisan, anu henteu tiasa nyumponan kabutuhan téknologi foton gelombang mikro anu terintegrasi. Kumaha ngahijikeun bahan litium niobate kalayan koéfisién éléktro-optik linier kana sistem téknologi foton gelombang mikro anu terintegrasi parantos janten tujuan para panaliti anu relevan. Dina taun 2018, tim panaliti ti Universitas Harvard di Amérika Serikat mimiti ngalaporkeun téknologi integrasi fotonik dumasar kana litium niobate pilem ipis di Nature, sabab téknologi ieu ngagaduhan kaunggulan integrasi anu luhur, bandwidth modulasi éléktro-optik anu ageung, sareng linieritas anu luhur tina pangaruh éléktro-optik, sakali diluncurkeun, éta langsung nyababkeun perhatian akademik sareng industri dina widang integrasi fotonik sareng fotonik gelombang mikro. Tina sudut pandang aplikasi foton gelombang mikro, makalah ieu marios pangaruh sareng pentingna téknologi integrasi foton dumasar kana litium niobate pilem ipis kana pamekaran téknologi foton gelombang mikro.

Bahan litium niobate pilem ipis sareng pilem ipismodulator litium niobate
Dina dua taun ka pengker, hiji jinis bahan niobate litium anyar parantos muncul, nyaéta, pilem niobate litium dieksfoliasi tina kristal niobate litium anu masif ku metode "ion slicing" sareng dihijikeun kana wafer Si nganggo lapisan buffer silika pikeun ngabentuk bahan LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], anu disebut bahan niobate litium pilem ipis dina tulisan ieu. Pandu gelombang bubungan kalayan jangkungna langkung ti 100 nanométer tiasa diukir dina bahan niobate litium pilem ipis ku prosés etsa garing anu dioptimalkeun, sareng bédana indéks bias anu efektif tina pandu gelombang anu kabentuk tiasa ngahontal langkung ti 0,8 (jauh langkung luhur tibatan bédana indéks bias tina pandu gelombang niobate litium tradisional 0,02), sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1. Pandu gelombang anu diwatesan pisan ngajantenkeun langkung gampang pikeun cocogkeun medan cahaya sareng medan gelombang mikro nalika ngarancang modulator. Ku kituna, mangpaat pikeun ngahontal tegangan satengah gelombang anu langkung handap sareng bandwidth modulasi anu langkung ageung dina panjang anu langkung pondok.

Katémbongna waveguide submikron litium niobate anu rugi-rugi rendah megatkeun hambatan tegangan nyetir anu luhur tina modulator éléktro-optik litium niobate tradisional. Jarak éléktroda tiasa dikirangan janten ~ 5 μm, sareng tumpang tindih antara médan listrik sareng médan modeu optik ningkat pisan, sareng vπ ·L turun tina langkung ti 20 V·cm janten kirang ti 2,8 V·cm. Ku alatan éta, dina tegangan satengah gelombang anu sami, panjang alat tiasa dikirangan pisan dibandingkeun sareng modulator tradisional. Dina waktos anu sami, saatos ngaoptimalkeun parameter lébar, ketebalan sareng interval éléktroda gelombang anu ngarambat, sapertos anu dipidangkeun dina gambar, modulator tiasa gaduh kamampuan bandwidth modulasi ultra-luhur langkung ageung tibatan 100 GHz.

Gambar 1 (a) distribusi mode anu diitung sareng (b) gambar penampang pandu gelombang LN

Gambar 2 (a) Struktur pandu gelombang sareng éléktroda sareng (b) pelat inti modulator LN

Babandingan modulator litium niobate pilem ipis sareng modulator komérsial litium niobate tradisional, modulator berbasis silikon sareng modulator indium fosfida (InP) sareng modulator éléktro-optik kecepatan tinggi anu sanés, parameter utama babandinganana kalebet:
(1) Hasil panghasil panjang volt satengah gelombang (vπ ·L, V·cm), ngukur efisiensi modulasi modulator, beuki leutik nilaina, beuki luhur efisiensi modulasina;
(2) 3 dB bandwidth modulasi (GHz), anu ngukur réspon modulator kana modulasi frékuénsi luhur;
(3) Leungitna sisipan optik (dB) dina daérah modulasi. Tina tabél, katingali yén modulator litium niobate pilem ipis ngagaduhan kaunggulan anu jelas dina bandwidth modulasi, tegangan satengah gelombang, leungitna interpolasi optik sareng saterasna.

Silikon, salaku pondasi optoéléktronik terpadu, parantos dikembangkeun dugi ka ayeuna, prosésna parantos dewasa, miniaturisasina kondusif pikeun integrasi skala ageung alat aktif/pasif, sareng modulatorna parantos dikaji sacara lega sareng jero dina widang komunikasi optik. Mékanisme modulasi éléktro-optik silikon utamina nyaéta depling pamawa, injeksi pamawa sareng akumulasi pamawa. Di antarana, bandwidth modulator optimal kalayan mékanisme depletion pamawa derajat linier, tapi kusabab distribusi medan optik tumpang tindih sareng non-uniformitas daérah depletion, pangaruh ieu bakal ngenalkeun istilah distorsi orde kadua nonlinier sareng distorsi intermodulasi orde katilu, digabungkeun sareng pangaruh panyerepan pamawa kana cahaya, anu bakal nyababkeun réduksi amplitudo modulasi optik sareng distorsi sinyal.

Modulator InP ngagaduhan pangaruh éléktro-optik anu luar biasa, sareng struktur sumur kuantum multi-lapisan tiasa ngawujudkeun modulator laju ultra-luhur sareng tegangan nyetir anu handap kalayan Vπ·L dugi ka 0,156V · mm. Nanging, variasi indéks bias sareng médan listrik kalebet istilah linier sareng nonlinier, sareng paningkatan inténsitas médan listrik bakal ngajantenkeun pangaruh orde kadua nonjol. Ku alatan éta, modulator éléktro-optik silikon sareng InP kedah nerapkeun bias pikeun ngabentuk sambungan pn nalika aranjeunna tiasa dianggo, sareng sambungan pn bakal mawa karugian panyerepan kana cahaya. Nanging, ukuran modulator dua ieu alit, ukuran modulator InP komérsial nyaéta 1/4 tina modulator LN. Efisiensi modulasi anu luhur, cocog pikeun jaringan transmisi optik digital kapadetan luhur sareng jarak pondok sapertos pusat data. Pangaruh éléktro-optik tina litium niobate henteu ngagaduhan mékanisme panyerepan cahaya sareng karugian anu handap, anu cocog pikeun koheren jarak jauh.komunikasi optikkalayan kapasitas ageung sareng laju anu luhur. Dina aplikasi foton gelombang mikro, koéfisién éléktro-optik Si sareng InP henteu linier, anu henteu cocog pikeun sistem foton gelombang mikro anu ngudag linieritas anu luhur sareng dinamika anu ageung. Bahan litium niobate cocog pisan pikeun aplikasi foton gelombang mikro kusabab koéfisién modulasi éléktro-optikna linier pisan.