Vật liệu lithium niobate màng mỏng và bộ điều biến lithium niobate màng mỏng

Ưu điểm và ý nghĩa của lithium niobate màng mỏng trong công nghệ photon vi sóng tích hợp

Công nghệ photon vi sóngcó ưu điểm là băng thông làm việc lớn, khả năng xử lý song song mạnh mẽ và tổn thất truyền tải thấp, có khả năng phá vỡ nút thắt 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, tác chiến điện tử, thông tin liên lạc và đo lường và điều khiển. Tuy nhiên, hệ thống photon vi sóng dựa trên các thiết bị rời rạc có một số vấn đề như khối lượng lớn, trọng lượng nặng và độ ổn định kém, điều này hạn chế nghiêm trọng việc ứng dụng công nghệ photon vi sóng trong các nền tảng vũ trụ và trên không. Vì vậy, công nghệ photon vi sóng tích hợp đang trở thành hỗ trợ quan trọng để phá vỡ ứng dụng photon vi sóng trong hệ thống thông tin điện tử quân sự và phát huy tối đa những ưu điểm của công nghệ photon vi sóng.

Hiện nay, công nghệ tích hợp quang tử dựa trên SI và công nghệ tích hợp quang tử dựa trên INP ngày càng hoàn thiện sau nhiều năm phát triển trong lĩnh vực truyền thông quang học và rất nhiều sản phẩm đã được đưa ra thị trường. Tuy nhiên, đối với ứng 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 chế Si và bộ điều chế InP trái ngược với tính tuyến tính cao và đặc tính động lớn mà vi sóng theo đuổi. công nghệ photon; Ví dụ, công tắc quang silicon thực hiện chuyển mạch đường quang, cho dù dựa trên hiệu ứng quang nhiệt, hiệu ứng áp điện hay hiệu ứng phân tán phun sóng mang, đều gặp phải các vấn đề về tốc độ chuyển mạch chậm, tiêu thụ điện năng và tiêu thụ nhiệt, không thể đáp ứng nhanh quét chùm tia và các ứng dụng photon vi sóng quy mô lớn.

Lithium niobate luôn là lựa chọn hàng đầu 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 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 liên quan. Năm 2018, nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard ở Hoa Kỳ lần đầu tiên báo cáo công nghệ tích hợp quang tử dựa trên lithium niobate màng mỏng trong Nature, bởi công nghệ này có ưu điểm là tích hợp cao, băng thông điều chế quang điện lớn và độ tuyến tính cao của điện tử. -hiệu ứng quang học, sau khi ra mắt, nó ngay lập tức gây được sự chú ý của giới học thuật và công nghiệp trong lĩnh vực tích hợp quang tử và quang tử vi sóng. Từ góc độ ứng dụng photon vi sóng, bài viết này đánh giá 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 chế lithium niobate
Trong hai năm gần đây, một loại vật liệu lithium niobate mới đã xuất hiện, đó là màng lithium niobate được tách ra khỏi tinh thể lithium niobate khổng lồ bằng phương pháp “cắt ion” và liên kết với wafer Si bằng lớp đệm silica để tạo thành vật liệu LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], được gọi là vật liệu lithium niobate màng mỏng trong bài báo này. Các ống dẫn sóng có chiều cao hơn 100 nanomet có thể được khắc trên vật liệu lithium niobate màng mỏng bằng quy trình khắc khô được tối ưu hóa và chênh lệch chiết suất hiệu quả của các ống dẫn sóng được hình thành có thể đạt tới hơn 0,8 (cao hơn nhiều so với chênh lệch chiết suất của truyền thống ống dẫn sóng lithium niobate 0,02), như trong Hình 1. Ống dẫn sóng bị giới hạn mạnh giúp dễ dàng kết hợp trường ánh sáng với trường vi sóng khi thiết kế bộ điều biến. Vì vậy, sẽ có lợi khi đạt được điện áp nửa sóng thấp hơn và băng thông điều chế lớn hơn trong thời gian ngắn hơn.

Sự xuất hiện của ống dẫn sóng submicron lithium niobate tổn thất thấp phá vỡ nút cổ chai về điện áp truyền động cao của bộ điều biến quang điện lithium niobate truyền thống. Khoảng cách giữa các điện cực có thể giảm xuống ~ 5 μm và sự chồng chéo giữa điện trường và trường chế độ quang học 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 đi rất nhiều so với bộ điều biến truyền thống. Đồng thời, sau khi tối ưu hóa các thông số về chiều rộng, độ dày và khoảng cách của điện cực sóng di chuyển như trên hình, bộ điều biến có thể có khả năng điều chế băng thông cực cao lớn hơn 100 GHz.

Hình 1 (a) phân bố chế độ được tính toán và hình ảnh (b) mặt cắt ngang của ống dẫn sóng LN

Hình 2 (a) Cấu trúc ống dẫn sóng và điện cực và tấm lõi (b) của bộ điều biến LN

Việc so sánh bộ điều biến lithium niobate màng mỏng với 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:
(1) Sản phẩm có chiều dài vôn nửa sóng (vπ ·L, V·cm), đo hiệu suất điều chế của bộ điều biến, giá trị càng nhỏ thì hiệu suất điều chế càng cao;
(2) Băng thông điều chế 3 dB (GHz), đo phản ứng của bộ điều biến đối với điều chế tần số cao;
(3) Suy hao chèn quang (dB) trong vùng điều chế. Từ bảng có thể thấy rằng bộ điều chế lithium niobate màng mỏng có những ưu điểm rõ ràng về băng thông điều chế, điện áp nửa sóng, mất nội suy quang học, v.v.

Silicon, với tư cách là nền tảng của quang điện tử tích hợp, đã được phát triển cho đến nay, quá trình này đã hoàn thiện, việc thu nhỏ nó có lợi cho việc tích hợp quy mô lớn các thiết bị chủ động/thụ động và bộ điều biến của nó đã được nghiên cứu rộng rãi và sâu sắc trong lĩnh vực quang học. giao tiếp. Cơ chế điều chế quang điện của silicon chủ yếu là loại bỏ chất mang, bơm chất mang và tích lũy chất mang. Trong số đó, băng thông của bộ điều biến là tối ưu với cơ chế suy giảm sóng mang bậc tuyến tính, nhưng do phân bố trường quang trùng với tính không đồng nhất của vùng suy giảm nên hiệu ứng này sẽ gây ra biến dạng phi tuyến bậc hai và biến dạng xuyên điều chế bậc ba. kết hợp với hiệu ứng hấp thụ của sóng mang lên ánh sáng sẽ dẫn đến giảm biên độ điều chế quang và méo tín hiệu.

Bộ điều biến InP có hiệu ứng quang điện vượt trội và cấu trúc giếng lượng tử nhiều lớp có thể tạo ra các bộ điều biến điện áp điều khiển tốc độ cực cao và tốc độ cực thấp với Vπ·L lên tới 0,156V · mm. Tuy nhiên, sự biến đổi chiết suất theo điện trường bao gồm các số hạng tuyến tính và phi tuyến, và sự tăng cường độ điện trường sẽ làm nổi bật hiệu ứng bậc hai. Do đó, các bộ điều biến quang điện silicon và InP cần áp dụng độ lệch để hình thành tiếp giáp pn khi chúng hoạt động và tiếp giáp pn sẽ làm mất đi sự hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, kích thước bộ điều biến của hai loại này nhỏ, kích thước bộ điều biến InP thương mại bằng 1/4 bộ điều biến LN. Hiệu suất điều chế cao, phù hợp với các mạng truyền dẫn quang kỹ thuật số mật độ cao và khoảng cách ngắn như trung tâm dữ liệu. Hiệu ứng quang điện của lithium niobate không có cơ chế hấp thụ ánh sáng và tổn thất thấp, phù hợp cho kết nối đường dàitruyền thông quang họcvới công suất lớn và tốc độ 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 học lớn. Vật liệu lithium niobate rất thích hợp cho ứng dụng photon vi sóng vì hệ số điều chế quang điện hoàn toàn tuyến tính của nó.