Litio niobatozko film mehearen abantailak eta garrantzia mikrouhin-fotoi integratuen teknologian
Mikrouhinen fotoi teknologiaLan-banda-zabalera handiaren, prozesatzeko gaitasun paralelo sendoaren eta transmisio-galera txikiaren abantailak ditu, eta horrek mikrouhin-sistema tradizionalaren oztopo teknikoa hausteko eta informazio elektroniko militarreko ekipamenduen errendimendua hobetzeko ahalmena du, hala nola radarra, gerra elektronikoa, komunikazioa eta neurketa eta kontrola. Hala ere, gailu diskretuetan oinarritutako mikrouhin-fotoi sistemak arazo batzuk ditu, hala nola bolumen handia, pisu handia eta egonkortasun eskasa, eta horrek mikrouhin-fotoi teknologiaren aplikazioa asko mugatzen du espazioko eta aireko plataformetan. Hori dela eta, mikrouhin-fotoi teknologia integratua laguntza garrantzitsua bihurtzen ari da mikrouhin-fotoiaren aplikazioa informazio elektroniko militarreko sistemetan hausteko eta mikrouhin-fotoi teknologiaren abantailak guztiz aprobetxatzeko.
Gaur egun, SI oinarritutako integrazio fotonikoko teknologia eta INP oinarritutako integrazio fotonikoko teknologia gero eta helduagoak bihurtu dira komunikazio optikoaren arloan urteak garatu ondoren, eta produktu asko jarri dira merkatuan. Hala ere, mikrouhin fotoien aplikaziorako, arazo batzuk daude bi fotoi integrazio teknologia mota hauetan: adibidez, Si modulatzailearen eta InP modulatzailearen koefiziente elektro-optiko ez-lineala mikrouhin fotoien teknologiak bilatzen dituen linealtasun handiaren eta ezaugarri dinamiko handien aurkakoa da; Adibidez, bide optikoaren kommutazioa gauzatzen duen siliziozko etengailu optikoak, efektu termiko-optikoan, efektu piezoelektrikoan edo eramaileen injekzioaren dispertsio efektuan oinarrituta egon, kommutazio-abiadura motelaren, energia-kontsumoaren eta bero-kontsumoaren arazoak ditu, eta horrek ezin ditu bete habe-eskaneatze azkarra eta eskala handiko mikrouhin fotoien aplikazioak.
Litio niobatoa beti izan da abiadura handiko lehen aukera.modulazio elektro-optikoamaterialak efektu elektro-optiko lineal bikainagatik. Hala ere, litio niobato tradizionalamodulatzaile elektro-optikoalitio niobato kristalezko material masibo batez egina dago, eta gailuaren tamaina oso handia da, eta horrek ezin ditu mikrouhin fotoi integratuen teknologiaren beharrak ase. Nola integratu litio niobato materialak koefiziente elektro-optiko lineala duten mikrouhin fotoi teknologia sistema integratuan ikertzaile garrantzitsuen helburua bihurtu da. 2018an, Estatu Batuetako Harvard Unibertsitateko ikerketa talde batek lehen aldiz argitaratu zuen Nature aldizkarian litio niobato film mehean oinarritutako integrazio fotonikoaren teknologia, teknologiak integrazio handia, modulazio elektro-optiko banda-zabalera handia eta efektu elektro-optikoaren linealtasun handia dituelako, eta abiarazi ondoren, berehala piztu zuen arreta akademikoa eta industriala fotonikoaren integrazioaren eta mikrouhin fotonikaren arloan. Mikrouhin fotoien aplikazioaren ikuspegitik, artikulu honek litio niobato film mehean oinarritutako fotoi integrazio teknologiak mikrouhin fotoi teknologiaren garapenean duen eragina eta garrantzia aztertzen ditu.
Film meheko litio niobato materiala eta film mehealitio niobato modulatzailea
Azken bi urteotan, litio niobato material mota berri bat agertu da, hau da, litio niobato filma litio niobato kristal masibotik esfoliatzen da "ioi ebakidura" metodoaren bidez eta Si obleari lotzen zaio silize buffer geruza batekin LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materiala osatzeko [5], artikulu honetan litio niobato film meheko materiala deitzen dena. 100 nanometro baino gehiagoko altuera duten gandor uhin-gidak litio niobato film meheko materialetan grabatu daitezke grabatze lehorreko prozesu optimizatuaren bidez, eta sortutako uhin-giden errefrakzio-indize eraginkorraren aldea 0,8 baino gehiagora irits daiteke (litio niobato uhin-gida tradizionalen 0,02ko errefrakzio-indizearen aldea baino askoz handiagoa), 1. irudian erakusten den bezala. Uhin-gida oso mugatuak argi-eremua mikrouhin-eremuarekin bat etortzea errazten du modulatzailea diseinatzerakoan. Horrela, onuragarria da erdi-uhin tentsio txikiagoa eta modulazio-banda-zabalera handiagoa lortzea luzera laburragoan.
Litio niobatozko submikroi uhin-gida galera txikikoaren agerpenak litio niobatozko modulatzaile elektro-optiko tradizionalaren tentsio altuaren oztopoa hausten du. Elektrodoen arteko tartea ~ 5 μm-ra murriztu daiteke, eta eremu elektrikoaren eta modu optikoaren eremuaren arteko gainjartzea asko handitzen da, eta vπ ·L 20 V·cm baino gehiagotik 2,8 V·cm baino gutxiagora jaisten da. Beraz, erdi-uhineko tentsio beraren pean, gailuaren luzera asko murriztu daiteke modulatzaile tradizionalarekin alderatuta. Aldi berean, uhin bidaiariaren elektrodoaren zabalera, lodiera eta tartearen parametroak optimizatu ondoren, irudian ikusten den bezala, modulatzaileak 100 GHz baino handiagoa den modulazio-banda-zabalera ultra-handia izan dezake.
1. irudia (a) kalkulatutako modu-banaketa eta (b) LN uhin-gidaren zeharkako sekzioaren irudia
2. irudia (a) LN modulatzailearen uhin-gidaren eta elektrodoen egitura eta (b) LN modulatzailearen nukleo-plaka
Litio niobatozko film meheko modulatzaileen eta litio niobatozko modulatzaile komertzial tradizionalen, siliziozko modulatzaileen eta indio fosfuro (InP) modulatzaileen eta beste abiadura handiko modulatzaile elektro-optikoen konparaketan, konparazioaren parametro nagusiak hauek dira:
(1) Erdi-uhin volt-luzera biderkatzea (vπ ·L, V·cm), modulatzailearen modulazio-eraginkortasuna neurtuz, zenbat eta txikiagoa izan balioa, orduan eta handiagoa izango da modulazio-eraginkortasuna;
(2) 3 dB-ko modulazio-banda-zabalera (GHz), modulatzaileak maiztasun handiko modulazioarekiko duen erantzuna neurtzen duena;
(3) Modulazio eskualdeko txertatze optikoaren galera (dB). Taulan ikus daitekeenez, litio niobatozko film meheko modulagailuak abantaila nabarmenak ditu modulazio banda-zabaleran, erdi-uhineko tentsioan, interpolazio optikoaren galeran eta abarretan.
Silizioa, optoelektronika integratuaren oinarrizko elementu gisa, orain arte garatu da, prozesua heldua da, bere miniaturizazioa gailu aktibo/pasiboen integrazio eskala handian laguntzen du, eta bere modulatzailea asko eta sakon aztertu da komunikazio optikoaren arloan. Silizioaren modulazio elektro-optikoaren mekanismoa batez ere eramaileen agortzea, eramaileen injekzioa eta eramaileen metaketa da. Horien artean, modulatzailearen banda-zabalera optimoa da eramaileen agortze-mekanismo linealarekin, baina eremu optikoaren banaketa agortze-eskualdearen ez-uniformetasunarekin gainjartzen denez, efektu honek bigarren mailako distortsio ez-lineala eta hirugarren mailako intermodulazio-distortsio terminoak sartuko ditu, eramaileak argian duen xurgapen-efektuarekin batera, eta horrek modulazio optikoaren anplitudea eta seinalearen distortsioa murriztea ekarriko du.
InP modulagailuak efektu elektro-optiko bikainak ditu, eta geruza anitzeko kuantu-putzuen egiturak abiadura ultra-altuko eta tentsio baxuko modulagailuak lor ditzake, 0,156 V · mm-ko Vπ·L-rekin. Hala ere, errefrakzio-indizearen aldaketak eremu elektrikoarekin termino linealak eta ez-linealak barne hartzen ditu, eta eremu elektrikoaren intentsitatearen igoerak bigarren mailako efektua nabarmenduko du. Beraz, siliziozko eta InP modulagailu elektro-optikoek polarizazioa aplikatu behar dute pn junturak osatzeko lanean ari direnean, eta pn junturak xurgapen-galera ekarriko dio argiari. Hala ere, bi modulagailu hauen tamaina txikia da, InP modulagailu komertzialen tamaina LN modulagailuaren 1/4 da. Modulazio-eraginkortasun handia, dentsitate handiko eta distantzia laburreko transmisio optiko digitaleko sareetarako egokia, hala nola datu-zentroak. Litio niobatoaren efektu elektro-optikoak ez du argi-xurgapen mekanismorik eta galera txikia du, eta hori egokia da distantzia luzeko koherentzia-sareetarako.komunikazio optikoaahalmen eta abiadura handikoa. Mikrouhin fotoien aplikazioan, Si eta InP-ren koefiziente elektro-optikoak ez-linealak dira, eta hori ez da egokia linealtasun handia eta dinamika handia bilatzen duen mikrouhin fotoien sistemarako. Litio niobato materiala oso egokia da mikrouhin fotoien aplikaziorako, bere modulazio elektro-optikoko koefiziente guztiz lineala duelako.
Argitaratze data: 2024ko apirilaren 22a