Kauntungan lan pentinge niobate lithium film tipis ing teknologi foton gelombang mikro terintegrasi
Teknologi foton gelombang mikronduweni kaluwihan bandwidth kerja sing gedhe, kemampuan pangolahan paralel sing kuwat lan kerugian transmisi sing sithik, sing nduweni potensi kanggo ngatasi hambatan teknis sistem gelombang mikro tradisional lan ningkatake kinerja peralatan informasi elektronik militer kayata radar, peperangan elektronik, komunikasi lan pangukuran lan kontrol. Nanging, sistem foton gelombang mikro adhedhasar piranti diskrit nduweni sawetara masalah kayata volume gedhe, bobot abot lan stabilitas sing kurang, sing mbatesi aplikasi teknologi foton gelombang mikro ing platform antariksa lan udhara. Mulane, teknologi foton gelombang mikro terintegrasi dadi dhukungan penting kanggo ngatasi aplikasi foton gelombang mikro ing sistem informasi elektronik militer lan menehi kesempatan lengkap kanggo kaluwihan teknologi foton gelombang mikro.
Saiki, teknologi integrasi fotonik berbasis SI lan teknologi integrasi fotonik berbasis INP wis saya maju sawise pirang-pirang taun dikembangake ing bidang komunikasi optik, lan akeh produk sing wis dilebokake ing pasar. Nanging, kanggo aplikasi foton gelombang mikro, ana sawetara masalah ing rong jinis teknologi integrasi foton iki: contone, koefisien elektro-optik nonlinier modulator Si lan modulator InP bertentangan karo linearitas dhuwur lan karakteristik dinamis gedhe sing ditindakake dening teknologi foton gelombang mikro; Contone, saklar optik silikon sing nyadari switching jalur optik, apa adhedhasar efek termal-optik, efek piezoelektrik, utawa efek dispersi injeksi pembawa, duwe masalah kecepatan switching alon, konsumsi daya lan konsumsi panas, sing ora bisa memenuhi aplikasi pemindaian sinar cepet lan foton gelombang mikro skala array gedhe.
Lithium niobate tansah dadi pilihan pertama kanggo kecepatan tinggimodulasi elektro-optikbahan amarga efek elektro-optik linier sing apik banget. Nanging, niobate lithium tradisionalmodulator elektro-optikdigawe saka bahan kristal lithium niobate sing gedhe banget, lan ukuran pirantine gedhe banget, sing ora bisa nyukupi kabutuhan teknologi foton gelombang mikro terintegrasi. Cara nggabungake bahan lithium niobate kanthi koefisien elektro-optik linier menyang sistem teknologi foton gelombang mikro terintegrasi wis dadi tujuan para peneliti sing relevan. Ing taun 2018, tim riset saka Universitas Harvard ing Amerika Serikat pisanan nglaporake teknologi integrasi fotonik adhedhasar lithium niobate film tipis ing Nature, amarga teknologi kasebut nduweni kaluwihan integrasi sing dhuwur, bandwidth modulasi elektro-optik sing gedhe, lan linearitas efek elektro-optik sing dhuwur, sawise diluncurake, langsung narik kawigaten akademik lan industri ing bidang integrasi fotonik lan fotonik gelombang mikro. Saka perspektif aplikasi foton gelombang mikro, makalah iki nliti pengaruh lan pentinge teknologi integrasi foton adhedhasar lithium niobate film tipis ing pangembangan teknologi foton gelombang mikro.
Bahan niobate litium film tipis lan film tipismodulator lithium niobate
Sajrone rong taun pungkasan, jinis bahan niobate lithium anyar wis muncul, yaiku, film niobate lithium dieksfoliasi saka kristal niobate lithium sing gedhe kanthi metode "ion slicing" lan diiket menyang wafer Si kanthi lapisan buffer silika kanggo mbentuk bahan LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], sing diarani bahan niobate lithium film tipis ing makalah iki. Pandu gelombang ridge kanthi dhuwur luwih saka 100 nanometer bisa diukir ing bahan niobate lithium film tipis kanthi proses etsa garing sing dioptimalake, lan beda indeks bias efektif saka pandu gelombang sing dibentuk bisa tekan luwih saka 0,8 (luwih dhuwur tinimbang beda indeks bias pandu gelombang niobate lithium tradisional 0,02), kaya sing dituduhake ing Gambar 1. Pandu gelombang sing diwatesi banget nggampangake cocogake medan cahya karo medan gelombang mikro nalika ngrancang modulator. Mangkono, migunani kanggo entuk voltase setengah gelombang sing luwih murah lan bandwidth modulasi sing luwih gedhe kanthi dawa sing luwih cendhek.
Munculé waveguide submikron lithium niobate kanthi kerugian rendah ngrusak hambatan voltase penggerak dhuwur saka modulator elektro-optik lithium niobate tradisional. Jarak elektroda bisa dikurangi dadi ~ 5 μm, lan tumpang tindih antarane medan listrik lan medan mode optik tambah akeh, lan vπ ·L mudhun saka luwih saka 20 V·cm dadi kurang saka 2,8 V·cm. Mulane, ing voltase setengah gelombang sing padha, dawa piranti bisa dikurangi banget dibandhingake karo modulator tradisional. Ing wektu sing padha, sawise ngoptimalake parameter jembar, kekandelan, lan interval elektroda gelombang sing lelungan, kaya sing dituduhake ing gambar, modulator bisa duwe kemampuan bandwidth modulasi ultra-dhuwur luwih saka 100 GHz.
Gambar 1 (a) distribusi mode sing diitung lan (b) gambar penampang waveguide LN
Gambar 2 (a) Struktur pandu gelombang lan elektroda sarta (b) pelat inti modulator LN
Perbandingan modulator lithium niobate film tipis karo modulator komersial lithium niobate tradisional, modulator berbasis silikon lan modulator indium phosphide (InP) lan modulator elektro-optik kecepatan tinggi liyane sing wis ana, parameter utama perbandingan kasebut kalebu:
(1) Produk dawa volt setengah gelombang (vπ ·L, V·cm), ngukur efisiensi modulasi modulator, luwih cilik nilaine, luwih dhuwur efisiensi modulasine;
(2) Bandwidth modulasi 3 dB (GHz), sing ngukur respon modulator marang modulasi frekuensi dhuwur;
(3) Kerugian penyisipan optik (dB) ing wilayah modulasi. Bisa dideleng saka tabel yen modulator lithium niobate film tipis nduweni kaluwihan sing jelas ing bandwidth modulasi, voltase setengah gelombang, kerugian interpolasi optik lan liya-liyane.
Silikon, minangka pondasi optoelektronik terintegrasi, wis dikembangake nganti saiki, proses kasebut wis mateng, miniaturisasine kondusif kanggo integrasi skala gedhe piranti aktif/pasif, lan modulatore wis ditliti kanthi wiyar lan jero ing bidang komunikasi optik. Mekanisme modulasi elektro-optik silikon utamane yaiku depling operator, injeksi operator, lan akumulasi operator. Antarane, bandwidth modulator optimal karo mekanisme depletion operator derajat linier, nanging amarga distribusi medan optik tumpang tindih karo non-keseragaman wilayah depletion, efek iki bakal ngenalake istilah distorsi orde kedua nonlinier lan distorsi intermodulasi orde ketiga, ditambah karo efek penyerapan operator ing cahya, sing bakal nyebabake pengurangan amplitudo modulasi optik lan distorsi sinyal.
Modulator InP nduweni efek elektro-optik sing luar biasa, lan struktur sumur kuantum multi-lapisan bisa nglakokake modulator kecepatan ultra-dhuwur lan tegangan penggerak rendah kanthi Vπ·L nganti 0,156V · mm. Nanging, variasi indeks bias karo medan listrik kalebu istilah linier lan nonlinier, lan peningkatan intensitas medan listrik bakal nggawe efek orde kedua katon jelas. Mulane, modulator elektro-optik silikon lan InP kudu ngetrapake bias kanggo mbentuk sambungan pn nalika bisa digunakake, lan sambungan pn bakal nggawa kerugian penyerapan menyang cahya. Nanging, ukuran modulator loro iki cilik, ukuran modulator InP komersial yaiku 1/4 saka modulator LN. Efisiensi modulasi dhuwur, cocok kanggo jaringan transmisi optik digital kapadhetan dhuwur lan jarak cendhak kayata pusat data. Efek elektro-optik saka lithium niobate ora duwe mekanisme penyerapan cahya lan kerugian sing sithik, sing cocok kanggo koheren jarak jauh.komunikasi optikkanthi kapasitas gedhe lan kecepatan dhuwur. Ing aplikasi foton gelombang mikro, koefisien elektro-optik Si lan InP ora linier, sing ora cocog kanggo sistem foton gelombang mikro sing nguber linearitas dhuwur lan dinamika gedhe. Bahan lithium niobate cocok banget kanggo aplikasi foton gelombang mikro amarga koefisien modulasi elektro-optik sing linier banget.
Wektu kiriman: 22-Apr-2024