Ưu điểm và tầm quan trọng của lithium niobate màng mỏng trong công nghệ photon vi sóng tích hợp
Công nghệ photon lò vi sóngCó những ưu điểm của băng thông làm việc lớn, khả năng xử lý song song mạnh và tổn thất truyền thấp, có khả năng phá vỡ nút cổ chai kỹ thuật của hệ thống vi sóng truyền thống và cải thiện hiệu suất của các thiết bị thông tin điện tử quân sự như radar, chiến tranh điện tử, truyền thông và đo lường và kiểm soát. Tuy nhiên, hệ thống photon vi sóng dựa trên các thiết bị riêng biệt có một số vấn đề như khối lượng lớn, trọng lượng nặng và độ ổn định kém, điều này hạn chế nghiêm trọng việc áp dụng công nghệ photon vi sóng trong các nền tảng SpaceBorne và Airborne. Do đó, công nghệ photon vi sóng tích hợp đang trở thành một hỗ trợ quan trọng để phá vỡ việc áp dụng photon vi sóng trong hệ thống thông tin điện tử quân sự và chơi đầy đủ cho những lợi thế của công nghệ photon vi sóng.
Hiện tại, công nghệ tích hợp photonic dựa trên SI và công nghệ tích hợp quang học dựa trên INP ngày càng trở nên trưởng thành hơn sau nhiều năm phát triển trong lĩnh vực truyền thông quang học và rất nhiều sản phẩm đã được đưa vào thị trường. Tuy nhiên, đối với việc áp dụng photon vi sóng, có một số vấn đề trong hai loại công nghệ tích hợp photon này: ví dụ, hệ số quang điện phi tuyến của bộ điều biến SI và bộ điều biến INP trái với các đặc tính tính năng động cao và tính năng động lớn được theo đuổi bởi công nghệ photon vi sóng; Ví dụ, công tắc quang học silicon nhận ra chuyển đổi đường dẫn quang, cho dù dựa trên hiệu ứng quang nhiệt, hiệu ứng áp điện hoặc hiệu ứng phân tán phun của sóng mang, có vấn đề về tốc độ chuyển mạch chậm, mức tiêu thụ điện năng và tiêu thụ nhiệt, không thể đáp ứng các ứng dụng ứng dụng vi mô vi mô lớn.
Lithium niobate luôn là lựa chọn đầu tiên cho tốc độ caoĐiều chế quang điệnVật liệu vì hiệu ứng quang điện tuyến tính tuyệt vời của nó. Tuy nhiên, lithium niobate truyền thốngBộ điều biến quang điệnđược làm bằng vật liệu tinh thể lithium niobate khổng lồ và kích thước thiết bị rất lớn, không thể đáp ứng nhu cầu của công nghệ photon vi sóng tích hợp. Làm thế nào để tích hợp các vật liệu lithium niobate với hệ số quang điện tuyến tính vào hệ thống công nghệ photon vi sóng tích hợp đã trở thành mục tiêu của các nhà nghiên cứu có liên quan. Vào năm 2018, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard ở Hoa Kỳ lần đầu tiên báo cáo công nghệ tích hợp quang tử dựa trên bộ phim mỏng lithium niobate trong tự nhiên, bởi vì công nghệ này có lợi thế của sự tích hợp cao, băng thông điều chế quang điện lớn và tính toán ảnh hưởng của MI-FIP. Từ góc độ của ứng dụng photon vi sóng, bài viết này xem xét ảnh hưởng và tầm quan trọng của công nghệ tích hợp photon dựa trên lithium niobate màng mỏng đối với sự phát triển của công nghệ photon vi sóng.
Vật liệu lithium niobate màng mỏng và màng mỏngBộ điều biến lithium niobate
Trong hai năm gần đây, một loại vật liệu niobate lithium mới đã xuất hiện, nghĩa là màng niobate lithium được tẩy tế bào chết từ tinh thể lithium niobate khổng lồ bằng phương pháp của ion ion cắt và liên kết với một loại chất liệu Các ống dẫn sóng sườn có chiều cao hơn 100 nanomet có thể được khắc trên vật liệu lithium niobate màng mỏng bằng cách tối ưu hóa quá trình khắc khô và chênh lệch chiết suất hiệu quả của ống dẫn sóng được hình thành có thể đạt đến mức độ khác nhau. Thiết kế bộ điều biến. Do đó, có lợi khi đạt được điện áp nửa sóng thấp hơn và băng thông điều chế lớn hơn trong một chiều dài ngắn hơn.
Sự xuất hiện của ống dẫn sóng subicron lithium niobate mất thấp phá vỡ nút thắt của điện áp lái xe cao của bộ điều biến quang điện truyền thống lithium niobate truyền thống. Khoảng cách điện cực có thể được giảm xuống ~ 5 μm, và sự chồng chéo giữa điện trường và trường chế độ quang được tăng lên rất nhiều và Vπ · L giảm từ hơn 20 V · cm xuống dưới 2,8 V · cm. Do đó, dưới cùng một điện áp nửa sóng, chiều dài của thiết bị có thể giảm đáng kể so với bộ điều biến truyền thống. Đồng thời, sau khi tối ưu hóa các tham số của chiều rộng, độ dày và khoảng của điện cực sóng di chuyển, như trong hình, bộ điều biến có thể có khả năng băng thông điều chế cực cao lớn hơn 100 GHz.
Hình 1 （phân phối chế độ tính toán và （B） Hình ảnh của mặt cắt ngang của ống dẫn sóng LN
Hình 2 （Cấu trúc ống dẫn sóng và điện cực và （B） Coreplate của bộ điều biến LN
Việc so sánh các bộ điều chế lithium niobate màng mỏng với các bộ điều biến thương mại lithium niobate truyền thống, bộ điều biến dựa trên silicon và bộ điều biến indium phosphide (INP) và các bộ điều biến quang điện tốc độ cao hiện có khác, các thông số chính của so sánh bao gồm:
.
(2) băng thông điều chế 3 dB (GHz), đo lường phản ứng của bộ điều biến đối với điều chế tần số cao;
(3) Mất chèn quang (DB) trong vùng điều chế. Có thể thấy từ bảng rằng bộ điều chế lithium niobate màng mỏng có lợi thế rõ ràng trong băng thông điều chế, điện áp nửa sóng, mất nội suy quang, v.v.
Silicon, như nền tảng của quang điện tử tích hợp, đã được phát triển cho đến nay, quá trình này đã trưởng thành, thu nhỏ của nó có lợi cho sự tích hợp quy mô lớn của các thiết bị hoạt động/thụ động, và bộ điều biến của nó đã được nghiên cứu rộng rãi và sâu sắc trong lĩnh vực giao tiếp quang học. Cơ chế điều chế quang điện của silicon chủ yếu là chất khử chất mang, tiêm sóng mang và tích lũy chất mang. Trong số đó, băng thông của bộ điều biến là tối ưu với cơ chế suy giảm độ phân giải tuyến tính, nhưng vì phân phối trường quang chồng chéo với tính không đồng nhất của vùng suy giảm, hiệu ứng này sẽ giới thiệu biến dạng thứ hai phi tuyến và độ méo của sự biến đổi của sự biến đổi.
Bộ điều biến INP có các hiệu ứng quang điện nổi bật và cấu trúc giếng lượng tử nhiều lớp có thể nhận ra tốc độ cực cao và bộ điều biến điện áp lái xe thấp với Vπ · L lên tới 0,156V · mm. Tuy nhiên, sự thay đổi của chỉ số khúc xạ với điện trường bao gồm các thuật ngữ tuyến tính và phi tuyến và sự gia tăng cường độ điện trường sẽ làm cho hiệu ứng thứ hai nổi bật. Do đó, các bộ điều biến quang điện của silicon và INP cần áp dụng sai lệch để tạo thành ngã ba PN khi chúng hoạt động, và ngã ba PN sẽ mang lại tổn thất hấp thụ cho ánh sáng. Tuy nhiên, kích thước bộ điều biến của hai bộ này là nhỏ, kích thước bộ điều biến INP thương mại là 1/4 bộ điều biến LN. Hiệu quả điều chế cao, phù hợp với mật độ cao và mạng truyền tải quang kỹ thuật số ngắn như trung tâm dữ liệu. Tác dụng quang điện của lithium niobate không có cơ chế hấp thụ ánh sáng và tổn thất thấp, phù hợp cho đường dài kết hợpgiao tiếp quang họcvới công suất lớn và tỷ lệ cao. Trong ứng dụng photon vi sóng, các hệ số quang điện của SI và INP là phi tuyến, không phù hợp với hệ thống photon vi sóng theo đuổi độ tuyến tính cao và động lực lớn. Vật liệu lithium niobate rất phù hợp cho ứng dụng photon vi sóng vì hệ số điều chế quang điện hoàn toàn tuyến tính của nó.
Thời gian đăng: Tháng Tư-22-2024