Materjal tan-nijobat tal-litju b'film irqiq u modulatur tan-nijobat tal-litju b'film irqiq

Vantaġġi u sinifikat tan-nijobat tal-litju b'film irqiq fit-teknoloġija integrata tal-foton tal-microwave

Teknoloġija tal-fotoni tal-microwavegħandha l-vantaġġi ta' bandwidth kbir tax-xogħol, kapaċità qawwija ta' pproċessar parallel u telf baxx ta' trasmissjoni, li għandu l-potenzjal li jkisser l-ostaklu tekniku tas-sistema tradizzjonali tal-microwave u jtejjeb il-prestazzjoni ta' tagħmir elettroniku ta' informazzjoni militari bħar-radar, il-gwerra elettronika, il-komunikazzjoni u l-kejl u l-kontroll. Madankollu, is-sistema tal-foton tal-microwave bbażata fuq apparati diskreti għandha xi problemi bħal volum kbir, piż tqil u stabbiltà fqira, li jirrestrinġu serjament l-applikazzjoni tat-teknoloġija tal-foton tal-microwave fi pjattaformi spazjali u fl-ajru. Għalhekk, it-teknoloġija integrata tal-foton tal-microwave qed issir appoġġ importanti biex tkisser l-applikazzjoni tal-foton tal-microwave fis-sistema elettronika ta' informazzjoni militari u tagħti rwol sħiħ lill-vantaġġi tat-teknoloġija tal-foton tal-microwave.

Fil-preżent, it-teknoloġija ta' integrazzjoni fotonika bbażata fuq SI u t-teknoloġija ta' integrazzjoni fotonika bbażata fuq INP saru dejjem aktar maturi wara snin ta' żvilupp fil-qasam tal-komunikazzjoni ottika, u ħafna prodotti tpoġġew fis-suq. Madankollu, għall-applikazzjoni tal-foton tal-microwave, hemm xi problemi f'dawn iż-żewġ tipi ta' teknoloġiji ta' integrazzjoni tal-fotoni: pereżempju, il-koeffiċjent elettro-ottiku mhux lineari tal-modulatur Si u l-modulatur InP huwa kuntrarju għall-linearità għolja u l-karatteristiċi dinamiċi kbar segwiti mit-teknoloġija tal-foton tal-microwave; Pereżempju, is-swiċċ ottiku tas-silikon li jirrealizza l-iswiċċjar tal-mogħdija ottika, kemm jekk ibbażat fuq effett termali-ottiku, effett pjeżoelettriku, jew effett ta' dispersjoni ta' injezzjoni ta' trasportatur, għandu l-problemi ta' veloċità baxxa tal-iswiċċjar, konsum tal-enerġija u konsum tas-sħana, li ma jistgħux jissodisfaw l-iskannjar veloċi tar-raġġi u l-applikazzjonijiet tal-foton tal-microwave fuq skala kbira.

In-nijobat tal-litju dejjem kien l-ewwel għażla għal veloċità għoljamodulazzjoni elettro-ottikamaterjali minħabba l-effett elettro-ottiku lineari eċċellenti tiegħu. Madankollu, in-nijobat tal-litju tradizzjonalimodulatur elettro-ottikuHuwa magħmul minn materjal kristallin massiv tan-nijobat tal-litju, u d-daqs tal-apparat huwa kbir ħafna, li ma jistax jissodisfa l-ħtiġijiet tat-teknoloġija integrata tal-foton tal-microwave. Kif tintegra materjali tan-nijobat tal-litju b'koeffiċjent elettro-ottiku lineari fis-sistema integrata tat-teknoloġija tal-foton tal-microwave sar l-għan tar-riċerkaturi rilevanti. Fl-2018, tim ta' riċerka mill-Università ta' Harvard fl-Istati Uniti rrapporta għall-ewwel darba t-teknoloġija ta' integrazzjoni fotonika bbażata fuq nijobat tal-litju b'film irqiq f'Nature, minħabba li t-teknoloġija għandha l-vantaġġi ta' integrazzjoni għolja, bandwidth ta' modulazzjoni elettro-ottika kbira, u linearità għolja tal-effett elettro-ottiku, ladarba tnediet, immedjatament ikkawżat l-attenzjoni akkademika u industrijali fil-qasam tal-integrazzjoni fotonika u l-fotonika tal-microwave. Mill-perspettiva tal-applikazzjoni tal-foton tal-microwave, dan id-dokument jirrevedi l-influwenza u s-sinifikat tat-teknoloġija ta' integrazzjoni tal-foton ibbażata fuq nijobat tal-litju b'film irqiq fuq l-iżvilupp tat-teknoloġija tal-foton tal-microwave.

Materjal tan-nijobat tal-litju b'film irqiq u film irqiqmodulatur tan-nijobat tal-litju
Fl-aħħar sentejn, ħareġ tip ġdid ta' materjal tan-nijobat tal-litju, jiġifieri, il-film tan-nijobat tal-litju huwa esfoljat mill-kristall massiv tan-nijobat tal-litju bil-metodu ta' "qtugħ tal-joni" u mwaħħal mal-wejfer tas-Si b'saff ta' buffer tas-silika biex jifforma materjal LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], li f'dan id-dokument jissejjaħ materjal tan-nijobat tal-litju b'film irqiq. Gwidi tal-mewġ tar-ridge b'għoli ta' aktar minn 100 nanometru jistgħu jiġu inċiżi fuq materjali tan-nijobat tal-litju b'film irqiq permezz ta' proċess ottimizzat ta' inċiżjoni niexfa, u d-differenza effettiva fl-indiċi refrattiv tal-gwidi tal-mewġ iffurmati tista' tilħaq aktar minn 0.8 (ferm ogħla mid-differenza fl-indiċi refrattiv tal-gwidi tal-mewġ tradizzjonali tan-nijobat tal-litju ta' 0.02), kif muri fil-Figura 1. Il-gwida tal-mewġ ristretta ħafna tagħmilha aktar faċli li tqabbel il-kamp tad-dawl mal-kamp tal-microwave meta jiġi ddisinjat il-modulatur. Għalhekk, huwa ta' benefiċċju li jinkiseb vultaġġ ta' nofs mewġa aktar baxx u bandwidth ta' modulazzjoni akbar f'tul iqsar.

Id-dehra ta' waveguide submikron tan-nijobat tal-litju b'telf baxx tkisser l-ostaklu tal-vultaġġ għoli tas-sewqan tal-modulatur elettro-ottiku tradizzjonali tan-nijobat tal-litju. L-ispazjar tal-elettrodi jista' jitnaqqas għal ~ 5 μm, u s-sovrappożizzjoni bejn il-kamp elettriku u l-kamp tal-mod ottiku tiżdied ħafna, u l-vπ ·L tonqos minn aktar minn 20 V·cm għal inqas minn 2.8 V·cm. Għalhekk, taħt l-istess vultaġġ ta' nofs mewġa, it-tul tal-apparat jista' jitnaqqas ħafna meta mqabbel mal-modulatur tradizzjonali. Fl-istess ħin, wara li jiġu ottimizzati l-parametri tal-wisa', il-ħxuna u l-intervall tal-elettrodu tal-mewġa li tivvjaġġa, kif muri fil-figura, il-modulatur jista' jkollu l-abbiltà ta' bandwidth ta' modulazzjoni ultra-għolja akbar minn 100 GHz.

Fig.1 (a) distribuzzjoni tal-modalità kkalkulata u (b) immaġni tas-sezzjoni trasversali tal-gwida tal-mewġ LN

Fig.2 (a) Struttura tal-gwida tal-mewġ u tal-elettrodu u (b) pjanċa ċentrali tal-modulatur LN

It-tqabbil ta' modulaturi tan-nijobat tal-litju b'film irqiq ma' modulaturi kummerċjali tradizzjonali tan-nijobat tal-litju, modulaturi bbażati fuq is-silikon u modulaturi tal-fosfid tal-indju (InP) u modulaturi elettro-ottiċi oħra eżistenti ta' veloċità għolja, il-parametri ewlenin tat-tqabbil jinkludu:
(1) Prodott ta' nofs mewġa volt-tul (vπ ·L, V·cm), li jkejjel l-effiċjenza tal-modulazzjoni tal-modulatur, iktar ma jkun żgħir il-valur, iktar tkun għolja l-effiċjenza tal-modulazzjoni;
(2) Wisa' tal-bandwidth tal-modulazzjoni ta' 3 dB (GHz), li tkejjel ir-rispons tal-modulatur għall-modulazzjoni ta' frekwenza għolja;
(3) Telf ta' inserzjoni ottika (dB) fir-reġjun tal-modulazzjoni. Mit-tabella jidher li l-modulatur tan-nijobat tal-litju b'film irqiq għandu vantaġġi ovvji fil-bandwidth tal-modulazzjoni, il-vultaġġ ta' nofs mewġa, it-telf ta' interpolazzjoni ottika, eċċ.

Is-silikon, bħala l-pedament tal-optoelettronika integrata, ġie żviluppat s'issa, il-proċess huwa matur, il-minjaturizzazzjoni tiegħu twassal għall-integrazzjoni fuq skala kbira ta' apparati attivi/passivi, u l-modulatur tiegħu ġie studjat b'mod wiesa' u profond fil-qasam tal-komunikazzjoni ottika. Il-mekkaniżmu ta' modulazzjoni elettro-ottika tas-silikon huwa prinċipalment it-tnaqqis tat-trasportatur, l-injezzjoni tat-trasportatur u l-akkumulazzjoni tat-trasportatur. Fost dawn, il-bandwidth tal-modulatur huwa ottimali bil-mekkaniżmu ta' tnaqqis tat-trasportatur ta' grad lineari, iżda minħabba li d-distribuzzjoni tal-kamp ottiku tikkoinċidi man-nuqqas ta' uniformità tar-reġjun tat-tnaqqis, dan l-effett se jintroduċi termini ta' distorsjoni mhux lineari tat-tieni ordni u distorsjoni tal-intermodulazzjoni tat-tielet ordni, flimkien mal-effett ta' assorbiment tat-trasportatur fuq id-dawl, li se jwassal għat-tnaqqis tal-amplitudni tal-modulazzjoni ottika u d-distorsjoni tas-sinjal.

Il-modulatur InP għandu effetti elettro-ottiċi eċċellenti, u l-istruttura tal-bir kwantiku b'ħafna saffi tista' tirrealizza modulaturi b'rata ultra-għolja u vultaġġ baxx tas-sewqan b'Vπ·L sa 0.156V · mm. Madankollu, il-varjazzjoni tal-indiċi refrattiv bil-kamp elettriku tinkludi termini lineari u mhux lineari, u ż-żieda fl-intensità tal-kamp elettriku se tagħmel l-effett tat-tieni ordni prominenti. Għalhekk, il-modulaturi elettro-ottiċi tas-silikon u tal-InP jeħtieġ li japplikaw preġudizzju biex jiffurmaw junction pn meta jaħdmu, u l-junction pn se ġġib telf ta' assorbiment għad-dawl. Madankollu, id-daqs tal-modulatur ta' dawn it-tnejn huwa żgħir, id-daqs kummerċjali tal-modulatur InP huwa 1/4 tal-modulatur LN. Effiċjenza għolja ta' modulazzjoni, adattata għal netwerks ta' trasmissjoni ottika diġitali ta' densità għolja u distanza qasira bħal ċentri tad-dejta. L-effett elettro-ottiku tan-nijobat tal-litju m'għandu l-ebda mekkaniżmu ta' assorbiment tad-dawl u telf baxx, li huwa adattat għal koerenti fuq distanza twila.komunikazzjoni ottikab'kapaċità kbira u rata għolja. Fl-applikazzjoni tal-foton tal-microwave, il-koeffiċjenti elettro-ottiċi ta' Si u InP mhumiex lineari, li mhuwiex adattat għas-sistema tal-foton tal-microwave li ssegwi linearità għolja u dinamika kbira. Il-materjal tan-nijobat tal-litju huwa adattat ħafna għall-applikazzjoni tal-foton tal-microwave minħabba l-koeffiċjent tal-modulazzjoni elettro-ottika kompletament lineari tiegħu.