Avantages et signification du lithium niobate à couches minces dans la technologie des photons micro-ondes intégrés
Technologie des photons micro-ondesA les avantages d'une large bande passante de travail, d'une forte capacité de traitement parallèle et d'une faible perte de transmission, ce qui a le potentiel de briser le goulot d'étranglement technique du système micro-ondes traditionnel et d'améliorer les performances des équipements d'information électronique militaire tels que le radar, la guerre électronique, la communication et la mesure et le contrôle. Cependant, le système de photons micro-ondes basé sur des dispositifs discrets présente certains problèmes tels que le grand volume, le poids lourd et la mauvaise stabilité, qui restreignent sérieusement l'application de la technologie des photons micro-ondes dans les plates-formes d'origine spatiale et aéroportées. Par conséquent, la technologie des photons micro-ondes intégrée devient un support important pour briser l'application du photon micro-ondes dans le système d'information électronique militaire et donner un jeu complet aux avantages de la technologie des photons micro-ondes.
À l'heure actuelle, la technologie d'intégration photonique basée sur Si et la technologie d'intégration photonique basée sur InP sont devenues de plus en plus matures après des années de développement dans le domaine de la communication optique, et de nombreux produits ont été mis sur le marché. Cependant, pour l'application de photons micro-ondes, il y a quelques problèmes dans ces deux types de technologies d'intégration de photons: par exemple, le coefficient électro-optique non linéaire du modulateur SI et du modulateur INP est contraire à la linéarité élevée et aux grandes caractéristiques dynamiques poursuivies par la technologie de photon micro-ondes; Par exemple, l'interrupteur optique en silicium qui réalise la commutation de chemin optique, qu'il s'agisse d'effet thermique optique, d'effet piézoélectrique ou d'effet de dispersion d'injection de porteurs, a les problèmes de vitesse de commutation lente, de consommation électrique et de consommation de chaleur, qui ne peut pas répondre au balayage rapide du faisceau et à des applications de micro-ondes à micro-ondes à échelle des grandes grandes grandes.
Le niobate de lithium a toujours été le premier choix pour la grande vitessemodulation électro-optiqueMatériaux en raison de son excellent effet électro-optique linéaire. Cependant, le niobate de lithium traditionnelmodulateur électro-optiqueest en matière cristalline massive au lithium niobate, et la taille de l'appareil est très grande, ce qui ne peut pas répondre aux besoins de la technologie de photons micro-ondes intégrée. Comment intégrer les matériaux de niobate de lithium avec un coefficient électro-optique linéaire dans le système de technologie de photons micro-ondes intégré est devenu l'objectif des chercheurs pertinents. En 2018, une équipe de recherche de l'Université de Harvard aux États-Unis a d'abord signalé la technologie de l'intégration photonique basée sur la nature lithium niobate de lit mince, car la technologie a les avantages d'une intégration élevée, de grande bande passante de modulation électro-optique et de la linéarité élevée de l'effet électro-optique, une fois lancée, elle a immédiatement provoqué l'attention académique et industrielle dans le domaine de l'intégration photonique et des photoniques micro-ondes. Du point de vue de l'application de photons micro-ondes, cet article passe en revue l'influence et la signification de la technologie d'intégration des photons basée sur du niobate de lithium à couches minces sur le développement de la technologie des photons micro-ondes.
Film à film mince du lithium niobate et couches mincesmodulateur de niobate lithium
Au cours des deux dernières années, un nouveau type de matériau de niobate de lithium a émergé, c'est-à-dire que le film de niobate de lithium est exfolié du cristal de niobate de lithium massif par la méthode de «tranchage ionique» et s'est lié à la plaquette de silium avec une couche de tampon en silice pour former le matériel LNOI (Linbo-on-Asilateur). Les guides d'ondes de crête d'une hauteur de plus de 100 nanomètres peuvent être gravés sur des matériaux de niobate de lithium à couches minces par un processus de gravure à sec optimisé, et la différence efficace de l'indice de réfraction des guides d'onde formées peut atteindre plus de 0,8 (bien plus élevée que la différence d'indice de réfraction de l'onde de lithium traditionnel, lorsque le champ d'ondes est plus facile pour le champ d'éclairage. Conception du modulateur. Ainsi, il est avantageux d'obtenir une tension de demi-onde plus faible et une bande passante de modulation plus grande dans une longueur plus courte.
L'apparition d'un guide d'onde submicronique au lithium à faible perte brise le goulot d'étranglement de la tension de conduite élevée du modulateur électro-optique au lithium traditionnel. L'espacement des électrodes peut être réduit à ~ 5 μm, et le chevauchement entre le champ électrique et le champ de mode optique est considérablement augmenté, et le Vπ · L diminue de plus de 20 V · cm à moins de 2,8 V · cm. Par conséquent, sous la même tension demi-onde, la longueur de l'appareil peut être considérablement réduite par rapport au modulateur traditionnel. Dans le même temps, après avoir optimisé les paramètres de la largeur, de l'épaisseur et de l'intervalle de l'électrode d'onde de déplacement, comme le montre la figure, le modulateur peut avoir la capacité d'une bande passante de modulation ultra-élevée supérieure à 100 GHz.
Fig.1 （A） Distribution du mode calculé et （B） Image de la coupe transversale du guide d'onde LN
Fig.2 （A） Guide d'onde et structure d'électrode et （B） Coreplate du modulateur LN
La comparaison des modulateurs de niobate de lithium à couches minces avec des modulateurs commerciaux traditionnels au lithium niobate, des modulateurs à base de silicium et des modulateurs de phosphure d'indium (INP) et d'autres modulateurs électro-optiques existants, les principaux paramètres de la comparaison incluent:
(1) produit de longueur de volt à ondes demi-ondes (Vπ · l, V · cm), mesurant l'efficacité de modulation du modulateur, plus la valeur est petite, plus l'efficacité de modulation est élevée;
(2) bande passante de modulation 3 dB (GHz), qui mesure la réponse du modulateur à une modulation à haute fréquence;
(3) Perte d'insertion optique (dB) dans la région de modulation. On peut voir dans le tableau que le modulateur de niobate de lithium à film mince a des avantages évidents dans la bande passante de modulation, la tension demi-onde, la perte d'interpolation optique, etc.
Le silicium, comme la pierre angulaire de l'optoélectronique intégrée, a été développée jusqu'à présent, le processus est mature, sa miniaturisation est propice à l'intégration à grande échelle de dispositifs actifs / passifs, et son modulateur a été largement et profondément étudié dans le domaine de la communication optique. Le mécanisme de modulation électro-optique du silicium est principalement le dépliant des porteurs, l'injection de porteurs et l'accumulation de porteurs. Parmi eux, la bande passante du modulateur est optimale avec le mécanisme de déplétion de transporteur de degré linéaire, mais comme la distribution de champ optique chevauche la non-uniformité de la région d'épuisement, cet effet introduira la distorsion de second ordre non linéaire et les termes de la distorsion d'intermodulation du troisième ordre, associés à l'effet d'absorption de la détresse de la lumière, ce qui entraînera la réduction du modulation optique.
Le modulateur INP a des effets électro-optiques exceptionnels, et la structure de puits quantum multi-couches peut réaliser des modulateurs de tension de conduite à ultra-élevé et faibles avec Vπ · L jusqu'à 0,156V · mm. Cependant, la variation de l'indice de réfraction avec le champ électrique comprend des termes linéaires et non linéaires, et l'augmentation de l'intensité du champ électrique rendra l'effet de second ordre proéminent. Par conséquent, les modulateurs en silicium et InP électro-optiques doivent appliquer un biais pour former PN Junction lorsqu'ils travaillent, et PN Junction mettra la perte d'absorption. Cependant, la taille du modulateur de ces deux est petite, la taille commerciale du modulateur INP est 1/4 du modulateur LN. Efficacité de modulation élevée, adaptée aux réseaux de transmission optique numériques à haute densité et à distance de courte distance tels que les centres de données. L'effet électro-optique du niobate de lithium n'a pas de mécanisme d'absorption de lumière et de faible perte, qui convient à une longue distance cohérentecommunication optiqueavec une grande capacité et un taux élevé. Dans l'application de photons micro-ondes, les coefficients électro-optiques de SI et INP sont non linéaires, qui ne conviennent pas au système de photons micro-ondes qui poursuit une linéarité élevée et une grande dynamique. Le matériau au lithium niobate est très adapté à l'application de photons micro-ondes en raison de son coefficient de modulation électro-optique complètement linéaire.
Heure du poste: avril-22-2024