Ưu điểm và ý nghĩa của màng mỏng lithium niobate trong công nghệ photon vi sóng tích hợp
Công nghệ photon vi sóngHệ thống này có ưu điểm là băng thông làm việc lớn, khả năng xử lý song song mạnh mẽ và suy hao truyền dẫn thấp, có tiềm 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, đo lường và điều khiển. Tuy nhiên, hệ thống vi sóng photon dựa trên các thiết bị rời rạc có một số vấn đề như thể tích lớn, trọng lượng nặng và độ ổn định kém, gây hạn chế nghiêm trọng việc ứng dụng công nghệ vi sóng photon trong các nền tảng vũ trụ và trên không. Do đó, công nghệ vi sóng photon tích hợp đang trở thành một hỗ trợ quan trọng để phá vỡ nút thắt kỹ thuật của hệ thống thông tin điện tử quân sự và phát huy tối đa những ưu điểm của công nghệ vi sóng photon.
Hiện nay, công nghệ tích hợp photon dựa trên SI và công nghệ tích hợp photon dựa trên INP đã 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 tính của bộ điều biến Si và bộ điều biến InP trái ngược với tính tuyến tính cao và đặc tính động lớn mà công nghệ photon vi sóng theo đuổi; Ví dụ, bộ chuyển mạch quang silicon thực hiện chuyển mạch đường quang, dù dựa trên hiệu ứng quang nhiệt, hiệu ứng áp điện hay hiệu ứng phân tán tiêm hạt mang, đều có những vấn đề về tốc độ chuyển mạch chậm, tiêu thụ điện năng và tiêu thụ nhiệt, không thể đáp ứng các ứng dụng quét chùm tia nhanh và photon vi sóng mảng lớn.
Lithium niobate luôn là lựa chọn hàng đầu cho tốc độ caođiều chế điện quangvật liệu vì hiệu ứng điện quang tuyến tính tuyệt vời của nó. Tuy nhiên, niobat lithium truyền thốngbộ điều biến điện quangđược làm bằng vật liệu tinh thể lithium niobate khối lượng lớn 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 có liên quan. Năm 2018, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Harvard tại Hoa Kỳ lần đầu tiên báo cáo về công nghệ tích hợp photonic dựa trên lithium niobate màng mỏng trên tạp chí Nature. Bởi vì công nghệ này có ưu điểm là tích hợp cao, băng thông điều chế quang điện lớn và tính tuyến tính cao của hiệu ứng quang điện, ngay khi ra mắt, nó đã ngay lập tức thu hút sự chú ý của giới học thuật và công nghiệp trong lĩnh vực tích hợp photonic và photonic vi sóng. Từ góc độ ứng dụng photon vi sóng, bài báo này đánh giá ảnh hưởng và ý nghĩa 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 màng mỏng lithium niobate và màng mỏngchất 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 khối lượng lớn 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 gờ có chiều cao hơn 100 nanomet có thể được khắc trên vật liệu lithium niobate màng mỏng bằng quy trình khắc khô tối ưu và chênh lệch chiết suất hiệu dụng của các ống dẫn sóng được hình thành có thể đạt hơn 0,8 (cao hơn nhiều so với chênh lệch chiết suất của các ống dẫn sóng lithium niobate truyền thống là 0,02), như thể hiện trong Hình 1. Ống dẫn sóng bị hạn chế mạnh giúp dễ dàng khớp trường ánh sáng với trường vi sóng khi 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 chiều dài ngắn hơn.
Sự xuất hiện của ống dẫn sóng siêu nhỏ lithium niobate tổn thất thấp đã phá vỡ nút thắt cổ chai của điện áp điều khiển cao trong bộ điều biến quang điện lithium niobate truyền thống. Khoảng cách giữa các điện cực có thể được giảm xuống còn ~ 5 μm, và độ chồng lấn giữa trường điện trường và trường mode quang 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 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 thông số về chiều rộng, độ dày và khoảng cách của điện cực sóng lan truyền như thể hiện trong hình, bộ điều biến có thể có khả năng đạt băng thông điều chế cực cao trên 100 GHz.
Hình 1 (a) phân phối chế độ 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
Khi so sánh các bộ điều biến lithium niobate màng mỏng với các bộ điều biến thương mại lithium niobate truyền thống, các bộ điều biến dựa trên silicon và các bộ điều biến indium phosphide (InP) và các bộ điều biến quang điện tốc độ cao hiện có khác, các thông số chính của phép so sánh bao gồm:
(1) Tích vôn nửa bước 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) Suy hao chèn quang (dB) trong vùng điều chế. Từ bảng có thể thấy bộ điều chế màng mỏng lithium niobat có ưu điểm rõ ràng về băng thông điều chế, điện áp nửa sóng, suy hao nội suy quang, v.v.
Silicon, là nền tảng của quang điện tử tích hợp, đã được phát triển cho đến nay, quy trình đã hoàn thiện, việc thu nhỏ của 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 truyền thông quang học. Cơ chế điều biến điện quang của silicon chủ yếu là sự suy giảm sóng mang, sự tiêm sóng mang và sự tích tụ sóng 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 học chồng lấn với sự không đồng đều của vùng suy giảm, hiệu ứng này sẽ đưa vào các số hạng méo bậc hai phi tuyến tính và méo xuyên điều chế bậc ba, kết hợp với hiệu ứng hấp thụ của sóng mang trên ánh sáng, điều này sẽ dẫn đến việc 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 thực hiện 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 trường điện bao gồm các số hạng tuyến tính và phi tuyến tính, và sự gia tăng cường độ trường điện sẽ làm cho hiệu ứng bậc hai trở nên nổi bật. Do đó, các bộ điều biến quang điện silicon và InP cần áp dụng độ phân cực để tạo thành tiếp giáp pn khi chúng hoạt động và tiếp giáp pn sẽ mang lại tổn thất hấp thụ cho 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 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 quang điện của lithium niobat không có cơ chế hấp thụ ánh sáng và tổn thất thấp, phù hợp vớitruyền thông quang họcVới công suất lớn và tốc độ cao. Trong ứng dụng photon vi sóng, hệ số quang điện của Si và InP là phi tuyến tính, không phù hợp với hệ thống photon vi sóng đòi hỏi tính tuyến tính cao và động lực học lớn. Vật liệu lithium niobat rất phù hợp cho ứng dụng photon vi sóng nhờ hệ số điều chế quang điện hoàn toàn tuyến tính.
Thời gian đăng: 22-04-2024