Біріктірілген микротолқынды фотон технологиясындағы жұқа қабықшалы литий ниобаттың артықшылықтары мен маңызы
Микротолқынды фотон технологиясыүлкен жұмыс өткізу қабілеттілігі, күшті параллель өңдеу қабілеті және берудің төмен жоғалуы артықшылығы бар, бұл дәстүрлі микротолқынды жүйенің техникалық тар жолын бұзуға және радар, электронды соғыс, байланыс және өлшеу сияқты әскери электрондық ақпараттық жабдықтың өнімділігін жақсартуға мүмкіндік береді. бақылау. Дегенмен, дискретті құрылғыларға негізделген микротолқынды фотондық жүйеде үлкен көлем, ауыр салмақ және нашар тұрақтылық сияқты кейбір проблемалар бар, бұл ғарыштық және әуе платформаларында микротолқынды фотон технологиясын қолдануды айтарлықтай шектейді. Сондықтан біріктірілген микротолқынды фотон технологиясы әскери электрондық ақпараттық жүйеде микротолқынды фотонды қолдануды бұзу және микротолқынды фотон технологиясының артықшылықтарын толық пайдалану үшін маңызды қолдауға айналуда.
Қазіргі уақытта SI негізіндегі фотонды интеграция технологиясы және INP негізіндегі фотонды интеграция технологиясы оптикалық байланыс саласындағы көптеген жылдар бойы дамығаннан кейін барған сайын жетілдірілді және нарыққа көптеген өнімдер шығарылды. Дегенмен, микротолқынды фотонды қолдану үшін фотонды біріктіру технологияларының осы екі түрінде кейбір мәселелер бар: мысалы, Si модуляторы мен InP модуляторының сызықты емес электро-оптикалық коэффициенті микротолқынды пештің жоғары сызықтылығы мен үлкен динамикалық сипаттамаларына қайшы келеді. фотон технологиясы; Мысалы, жылу-оптикалық әсерге, пьезоэлектрлік эффектке немесе тасымалдаушы инъекциялық дисперсиялық эффектке негізделгеніне қарамастан, оптикалық жолды ауыстыруды жүзеге асыратын кремний оптикалық қосқышында баяу коммутация жылдамдығы, қуат тұтыну және жылу тұтыну проблемалары бар, ол жылдамды қанағаттандыра алмайды. сәулені сканерлеу және микротолқынды фотонды кең ауқымды қолданбалар.
Литий ниобаты әрқашан жоғары жылдамдық үшін бірінші таңдау болдыэлектрооптикалық модуляцияоның тамаша сызықтық электро-оптикалық әсерінің арқасында материалдар. Дегенмен, дәстүрлі литий ниобатыэлектрооптикалық модулятормассивтік литий ниобаты кристалды материалдан жасалған және құрылғының өлшемі өте үлкен, ол біріктірілген микротолқынды фотон технологиясының қажеттіліктерін қанағаттандыра алмайды. Сызықтық электро-оптикалық коэффициенті бар литий ниобат материалдарын біріктірілген микротолқынды фотондық технология жүйесіне қалай біріктіру тиісті зерттеушілердің мақсатына айналды. 2018 жылы Америка Құрама Штаттарының Гарвард университетінің зерттеу тобы алғаш рет Табиғаттағы жұқа қабықшалы литий ниобатқа негізделген фотонды интеграция технологиясы туралы хабарлады, себебі технология жоғары интеграцияның, үлкен электро-оптикалық модуляция өткізу қабілеттілігінің және электромагниттердің жоғары сызықтылығының артықшылықтарына ие. -оптикалық эффект іске қосылғаннан кейін ол бірден фотонды интеграция және микротолқынды фотоника саласындағы академиялық және өндірістік назарды тудырды. Микротолқынды фотонды қолдану тұрғысынан бұл жұмыс микротолқынды фотон технологиясының дамуына жұқа қабықшалы литий ниобата негізіндегі фотонды интеграциялау технологиясының әсері мен маңыздылығын қарастырады.
Литий ниобаты жұқа пленка және жұқа пленкалитий ниобаты модуляторы
Соңғы екі жылда литий ниобаты материалының жаңа түрі пайда болды, яғни литий ниобаты пленкасы массивті литий ниобат кристалынан «ионды кесу» әдісімен қабыршақтанады және Si вафлиге кремний диоксиді буферлік қабатпен жабыстырылады. LNOI (LiNbO3-On-Insulator) материалын құрайды [5], бұл қағазда жұқа қабықшалы литий ниобаттық материал деп аталады. Биіктігі 100 нанометрден асатын жоталы толқын өткізгіштерді оңтайландырылған құрғақ сызу процесі арқылы жұқа қабықшалы литий ниобат материалдарына оюға болады, ал қалыптасқан толқын өткізгіштердің тиімді сыну көрсеткішінің айырмашылығы 0,8-ден жоғары болуы мүмкін (дәстүрлі сыну көрсеткішінің айырмашылығынан әлдеқайда жоғары). 0,02 литий ниобаты толқын өткізгіштері), 1-суретте көрсетілгендей. Қатты шектелген толқын өткізгіш модуляторды жобалау кезінде жарық өрісін микротолқынды өріспен сәйкестендіруді жеңілдетеді. Осылайша, қысқа ұзындықта төменгі жарты толқындық кернеуге және үлкен модуляция өткізу қабілеттілігіне қол жеткізу тиімді.
Төмен шығынды литий ниобаты субмикронды толқын өткізгіштің пайда болуы дәстүрлі литий ниобаты электро-оптикалық модуляторының жоғары қозғаушы кернеуінің кедергісін бұзады. Электрод аралығын ~ 5 мкм-ге дейін азайтуға болады, ал электр өрісі мен оптикалық режим өрісі арасындағы қабаттасу айтарлықтай артады және vπ ·L 20 В·см-ден 2,8 В·см-ден азаяды. Сондықтан бірдей жарты толқынды кернеу кезінде құрылғының ұзындығын дәстүрлі модулятормен салыстырғанда айтарлықтай азайтуға болады. Сонымен қатар, суретте көрсетілгендей жылжымалы толқын электродының ені, қалыңдығы және интервалының параметрлерін оңтайландырғаннан кейін модулятор 100 ГГц-ден жоғары ультра жоғары модуляция өткізу қабілетіне ие болуы мүмкін.
1-сурет （a） есептелген режимнің таралуы және （b） LN толқын өткізгішінің көлденең қимасының кескіні
2-сурет （a） Толқын өткізгіш және электрод құрылымы және (b) LN модуляторының негізгі тақтасы
Жұқа қабықшалы литий ниобаты модуляторларын дәстүрлі литий ниобаты коммерциялық модуляторларымен, кремний негізіндегі модуляторлармен және индий фосфиді (InP) модуляторларымен және басқа да бар жоғары жылдамдықты электро-оптикалық модуляторлармен салыстыру, салыстырудың негізгі параметрлері мыналарды қамтиды:
(1) Модулятордың модуляция тиімділігін өлшейтін жарты толқынды вольттық өнім (vπ ·L, V·см), мән неғұрлым аз болса, модуляция тиімділігі соғұрлым жоғары болады;
(2) модулятордың жоғары жиілікті модуляцияға жауабын өлшейтін 3 дБ модуляция өткізу жолағы (ГГц);
(3) Модуляция аймағындағы оптикалық кірістіру жоғалуы (дБ). Кестеден жұқа пленка литий ниобаты модуляторының модуляция өткізу қабілеттілігінде, жарты толқындық кернеуде, оптикалық интерполяция жоғалтуында және т.б. айқын артықшылықтарға ие екенін көруге болады.
Кремний интегралды оптоэлектрониканың ірге тасы ретінде осы уақытқа дейін әзірленген, процесс жетілген, оның миниатюризациясы белсенді/пассивті құрылғылардың кең ауқымды интеграциясына қолайлы және оның модуляторы оптикалық ғылым саласында кеңінен және терең зерттелген. байланыс. Кремнийдің электро-оптикалық модуляция механизмі негізінен тасымалдаушыны түсіру, тасымалдаушы инъекция және тасымалдаушы жинақтау болып табылады. Олардың ішінде модулятордың өткізу қабілеттілігі сызықтық дәрежелі тасымалдаушының сарқылу механизмімен оңтайлы, бірақ оптикалық өрістің таралуы сарқылу аймағының біркелкі еместігімен қабаттасатындықтан, бұл әсер сызықты емес екінші ретті бұрмалануды және үшінші ретті интермодуляциялық бұрмалануды енгізеді. Оптикалық модуляция амплитудасының төмендеуіне және сигналдың бұрмалануына әкелетін жарыққа тасымалдаушының жұту әсерімен біріктірілген терминдер.
InP модуляторының керемет электро-оптикалық әсерлері бар және көп қабатты кванттық ұңғыма құрылымы Vπ·L 0,156В · мм-ге дейінгі ультра жоғары жылдамдықты және төмен қозғаушы кернеу модуляторларын жүзеге асыра алады. Дегенмен, сыну көрсеткішінің электр өрісімен өзгеруі сызықтық және сызықтық емес мүшелерді қамтиды, ал электр өрісінің қарқындылығының артуы екінші ретті әсерді көрнекті етеді. Сондықтан кремний және InP электрооптикалық модуляторлары жұмыс істеген кезде pn түйісуін қалыптастыру үшін қиғаштықты қолдануы керек, ал pn өтуі жарыққа жұтылу жоғалуына әкеледі. Дегенмен, бұл екеуінің модулятор өлшемі шағын, коммерциялық InP модулятор өлшемі LN модуляторының 1/4 бөлігін құрайды. Модуляцияның жоғары тиімділігі, деректер орталықтары сияқты тығыздығы жоғары және қысқа қашықтыққа цифрлық оптикалық тарату желілері үшін жарамды. Литий ниобатының электрооптикалық эффектісі жарық сіңіру механизмі жоқ және аз шығынға ие, бұл ұзақ қашықтыққа сәйкес келетін когеренттіоптикалық байланысүлкен сыйымдылығымен және жоғары жылдамдығымен. Микротолқынды фотонды қолдануда Si және InP электро-оптикалық коэффициенттері сызықты емес, бұл жоғары сызықтық пен үлкен динамикаға ұмтылатын микротолқынды фотон жүйесі үшін жарамсыз. Литий ниобаты материалы микротолқынды фотонды қолдану үшін өте қолайлы, өйткені оның толық сызықты электро-оптикалық модуляция коэффициенті.
Жіберу уақыты: 22 сәуір-2024 ж