Vật liệu niobat lithi màng mỏng và chất điều biến niobat lithi màng mỏng

Ưu điểm và tầm quan trọng của màng mỏng lithium niobate trong công nghệ quang tử vi sóng tích hợp

Công nghệ photon vi sóngHệ thống photon vi sóng tích hợp có ưu điểm là băng thông hoạt động rộng, khả năng xử lý song song mạnh mẽ và tổn thất truyền dẫn thấp, có tiềm năng phá vỡ nút thắt kỹ thuật của hệ thống vi sóng truyền thống và nâng cao 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 & điều khiển. Tuy nhiên, hệ thống photon vi sóng dựa trên các thiết bị rời rạc gặp một số vấn đề như kích thước lớn, trọng lượng nặng và độ ổn định kém, điều này hạn chế nghiêm trọng việc ứng dụng công nghệ photon vi sóng trên các nền tảng không gian và trên không. Do đó, công nghệ photon vi sóng tích hợp đang trở thành một yếu tố hỗ trợ quan trọng để phá vỡ rào cản ứng dụng photon vi sóng trong hệ thống thông tin điện tử quân sự và phát huy tối đa 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 đã ngày càng hoàn thiện sau nhiều năm phát triển trong lĩnh vực truyền thông quang học, và nhiều sản phẩm đã được đưa ra thị trường. Tuy nhiên, đối với ứng dụng photon vi sóng, hai loại công nghệ tích hợp photon này vẫn còn một số vấn đề: ví dụ, hệ số điện quang phi tuyến của bộ điều biến Si và bộ điều biến InP trái ngược với đặc tính tuyến tính cao và dải động lớn mà công nghệ photon vi sóng hướng tới; ví dụ, bộ chuyển mạch quang silicon thực hiện chuyển mạch đường dẫn quang, dù dựa trên hiệu ứng nhiệt quang, hiệu ứng áp điện hay hiệu ứng tán xạ tiêm hạt tải, đều có vấn đề về tốc độ chuyển mạch chậm, tiêu thụ điện năng và tỏa nhiệt, không đáp ứng được các ứng dụng quét chùm tia nhanh và mảng lớn photon vi sóng.

Lithium niobate luôn là sự lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng tốc độ cao.điều chế điện quangvật liệu này có hiệu ứng điện quang tuyến tính tuyệt vời. Tuy nhiên, niobat lithi truyền thốngbộ điều biến điện quangCác thiết bị quang tử vi sóng hiện đại được làm từ vật liệu tinh thể niobat lithi khối lượng lớn, có kích thước rất lớn, không đáp ứng được nhu cầu của công nghệ quang tử vi sóng tích hợp. Làm thế nào để tích hợp vật liệu niobat lithi với hệ số điện quang tuyến tính vào hệ thống công nghệ quang tử vi sóng tích hợp đã trở thành mục tiêu của các nhà nghiên cứu liên quan. Năm 2018, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard ở Hoa Kỳ lần đầu tiên báo cáo về công nghệ tích hợp quang tử dựa trên niobat lithi màng mỏng trên tạp chí Nature. Nhờ những ưu điểm như khả năng tích hợp cao, băng thông điều chế điện quang lớn và độ tuyến tính cao của hiệu ứng điện quang, công nghệ này ngay khi được công bố đã thu hút 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 quang tử vi sóng, bài báo này xem xét ảnh hưởng và ý nghĩa của công nghệ tích hợp quang tử dựa trên niobat lithi màng mỏng đối với sự phát triển của công nghệ quang tử vi sóng.

Vật liệu niobat lithi màng mỏng và màng mỏngchất điều biến niobat lithi
Trong hai năm gần đây, một loại vật liệu niobat lithi mới đã xuất hiện, đó là màng niobat lithi được tách ra từ tinh thể niobat lithi khối lượng lớn bằng phương pháp “cắt ion” và liên kết với tấm wafer Si bằng lớp đệm silica để tạo thành vật liệu LNOI (LiNbO3-Trên-Chất cách điện) [5], được gọi là vật liệu niobat lithi màng mỏng trong bài báo này. Các ống dẫn sóng dạng gờ với chiều cao hơn 100 nanomet có thể được khắc trên vật liệu niobat lithi màng mỏng bằng quy trình khắc khô được tối ưu hóa, và sự khác biệt chỉ số khúc xạ hiệu dụng của các ống dẫn sóng được hình thành có thể đạt hơn 0,8 (cao hơn nhiều so với sự khác biệt chỉ số khúc xạ của các ống dẫn sóng niobat lithi truyền thống là 0,02), như thể hiện trong Hình 1. Ống dẫn sóng bị hạn chế mạnh mẽ giúp dễ dàng hơn trong việc khớp trường ánh sáng với trường vi sóng khi thiết kế bộ điều biến. Do đó, nó có lợi để đạt được điện áp bán sóng thấp hơn và băng thông điều chế lớn hơn trong chiều dài ngắn hơn.

Sự xuất hiện của ống dẫn sóng dưới micromet bằng niobat lithi tổn hao thấp đã phá vỡ nút thắt cổ chai về điện áp điều khiển cao của bộ điều biến điện quang niobat lithi truyền thống. Khoảng cách giữa các điện cực có thể giảm xuống còn khoảng 5 μm, và sự chồng chéo giữa trường điện và trường mode quang học được tăng lên đáng kể, và vπ ·L giảm từ hơn 20 V·cm xuống dưới 2,8 V·cm. Do đó, dưới cùng một điện áp bán 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 thông số về chiều rộng, độ dày và khoảng cách của điện cực sóng truyền, như thể hiện trong hình, bộ điều biến có khả năng đạt băng thông điều chế cực cao lớn hơn 100 GHz.

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

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

So sánh bộ điều biến niobat lithi màng mỏng với các bộ điều biến niobat lithi thương mại truyền thống, bộ điều biến dựa trên silicon và bộ điều biến photphua indi (InP) cùng các bộ điều biến điện quang tốc độ cao hiện có khác, các thông số chính của sự so sánh bao gồm:
(1) Tích điện áp-chiều dài nửa sóng (vπ ·L, V·cm), đo hiệu suất điều chế của bộ điều chế, giá trị càng nhỏ thì hiệu suất điều chế càng cao;
(2) Băng thông điều chế 3 dB (GHz), đo lường phản ứng của bộ điều chế đối với điều chế tần số cao;
(3) Tổn thất chèn quang học (dB) trong vùng điều chế. Có thể thấy từ bảng rằng bộ điều chế niobat lithi màng mỏng có những ưu điểm rõ rệt về băng thông điều chế, điện áp bán sóng, tổn thất nội suy quang học, v.v.

Silicon, với vai trò là nền tảng của quang điện tử tích hợp, đã được phát triển đến nay, quy trình sản xuất đã hoàn thiện, việc thu nhỏ kích thước giúp thuận 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 truyền thông quang học. Cơ chế điều biến điện quang của silicon chủ yếu là sự suy giảm điện tích, sự tiêm điện tích và sự tích lũy điện tích. Trong đó, băng thông của bộ điều biến đạt tối ưu với cơ chế suy giảm điện tích tuyến tính, nhưng do sự phân bố trường quang học chồng chéo với sự không đồng nhất của vùng suy giảm, hiệu ứng này sẽ gây ra méo phi tuyến bậc hai và méo xuyên điều biến bậc ba, kết hợp với hiệu ứng hấp thụ ánh sáng của điện tích, dẫn đến giảm biên độ điều biến quang học và méo tín hiệu.

Bộ điều biến InP có hiệu ứng điện quang vượt trội, và cấu trúc giếng lượng tử đa lớp có thể tạo ra các bộ điều biến tốc độ cực cao và điện áp điều khiển thấp với Vπ·L lên đến 0,156V·mm. Tuy nhiên, sự thay đổi của chiết suất theo điện trường bao gồm các thành phần tuyến tính và phi tuyến tính, và sự tăng cường độ điện trường sẽ làm cho hiệu ứng bậc hai trở nên nổi bật. Do đó, các bộ điều biến điện quang silicon và InP cần phải áp dụng điện áp để tạo thành mối nối pn khi hoạt động, và mối nối pn sẽ gây ra tổn thất hấp thụ ánh sáng. Tuy nhiên, kích thước của hai loại này nhỏ, kích thước bộ điều biến InP thương mại chỉ bằng 1/4 kích thước bộ điều biến LN. Hiệu suất điều biến 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 điện quang của niobat lithi không có cơ chế hấp thụ ánh sáng và tổn thất thấp, phù hợp với truyền dẫn quang học kết hợp khoảng cách xa.truyền thông quang họcVới dung lượng lớn và tốc độ cao. Trong ứng dụng photon vi sóng, hệ số điện quang của Si và InP là phi tuyến tính, không phù hợp với hệ thống photon vi sóng cần độ tuyến tính cao và dải động lớn. Vật liệu niobat lithi rất phù hợp cho ứng dụng photon vi sóng vì hệ số điều biến điện quang hoàn toàn tuyến tính của nó.