Mga bentaha ug kamahinungdanon sa thin film lithium niobate sa integrated microwave photon technology
Microwave photon teknolohiyaadunay mga bentaha sa dako nga bandwidth sa pagtrabaho, lig-on nga kapabilidad sa pagproseso sa parallel ug ubos nga pagkawala sa transmission, nga adunay potensyal nga mabuak ang teknikal nga bottleneck sa tradisyonal nga sistema sa microwave ug mapaayo ang pasundayag sa mga kagamitan sa elektronikong impormasyon sa militar sama sa radar, electronic warfare, komunikasyon ug pagsukod ug kontrol. Bisan pa, ang sistema sa microwave photon nga gibase sa discrete nga mga himan adunay pipila ka mga problema sama sa dako nga volume, bug-at nga gibug-aton ug dili maayo nga kalig-on, nga seryoso nga nagpugong sa paggamit sa teknolohiya sa microwave photon sa spaceborne ug airborne nga mga plataporma. Busa, ang integrated microwave photon teknolohiya nahimong usa ka importante nga suporta sa pagbungkag sa aplikasyon sa microwave photon sa militar electronic nga impormasyon nga sistema ug sa paghatag sa bug-os nga play sa mga bentaha sa microwave photon teknolohiya.
Sa pagkakaron, ang SI-based photonic integration technology ug INP-based photonic integration technology nahimong mas ug mas hamtong human sa mga tuig nga kalamboan sa natad sa optical communication, ug daghang mga produkto ang gibutang sa merkado. Bisan pa, alang sa paggamit sa microwave photon, adunay pipila ka mga problema sa niining duha ka mga matang sa photon integration nga mga teknolohiya: pananglitan, ang nonlinear electro-optical coefficient sa Si modulator ug InP modulator sukwahi sa taas nga linearity ug dako nga dinamikong mga kinaiya nga gigukod sa microwave. teknolohiya sa photon; Pananglitan, ang silicon optical switch nga nakaamgo sa optical path switching, base man sa thermal-optical effect, piezoelectric effect, o carrier injection dispersion effect, adunay mga problema sa hinay nga switching speed, power consumption ug heat consumption, nga dili makatubag sa paspas. beam scanning ug dako nga array scale microwave photon nga mga aplikasyon.
Ang Lithium niobate kanunay nga una nga kapilian alang sa taas nga tulinelectro-optic modulasyonmga materyales tungod sa maayo kaayo nga linear electro-optic nga epekto niini. Bisan pa, ang tradisyonal nga lithium niobateelectro-optical modulatorgihimo sa dako nga lithium niobate nga kristal nga materyal, ug ang gidak-on sa device dako kaayo, nga dili makatubag sa mga panginahanglan sa integrated microwave photon technology. Giunsa ang pag-integrate sa lithium niobate nga mga materyales nga adunay linear electro-optical coefficient ngadto sa integrated microwave photon technology system nahimong tumong sa mga may kalabutan nga tigdukiduki. Sa 2018, ang usa ka research team gikan sa Harvard University sa Estados Unidos unang nagtaho sa photonic integration technology base sa thin film lithium niobate sa Nature, tungod kay ang teknolohiya adunay mga bentaha sa taas nga integration, dako nga electro-optical modulation bandwidth, ug taas nga linearity sa electro -optical nga epekto, sa dihang gilusad, kini diha-diha dayon hinungdan sa academic ug industriyal nga pagtagad sa natad sa photonic integration ug microwave photonics. Gikan sa panglantaw sa microwave photon aplikasyon, kini nga papel nagrepaso sa impluwensya ug kamahinungdanon sa photon integration teknolohiya base sa manipis nga film lithium niobate sa pagpalambo sa microwave photon teknolohiya.
Nipis nga pelikula nga lithium niobate nga materyal ug nipis nga pelikulalithium niobate modulator
Sa bag-ohay nga duha ka tuig, usa ka bag-ong klase sa lithium niobate nga materyal ang mitumaw, nga mao, ang lithium niobate nga pelikula gi-exfoliated gikan sa dako nga lithium niobate nga kristal pinaagi sa pamaagi sa "ion slicing" ug gigapos sa Si wafer nga adunay silica buffer layer sa porma sa LNOI (LiNbO3-On-Insulator) nga materyal [5], nga gitawag nga thin film lithium niobate nga materyal niini nga papel. Ridge waveguides uban sa usa ka gitas-on sa labaw pa kay sa 100 nanometers mahimong etched sa thin film lithium niobate nga mga materyales pinaagi sa optimized dry etching proseso, ug ang epektibo nga refractive index kalainan sa waveguides naporma mahimong moabot sa labaw pa kay sa 0.8 (mas taas pa kay sa refractive index kalainan sa tradisyonal lithium niobate waveguides sa 0.02), ingon sa gipakita sa Figure 1. Ang hugot nga gidid-an waveguide naghimo niini nga mas sayon sa pagpares sa kahayag field uban sa microwave field sa diha nga ang pagdesinyo sa modulator. Sa ingon, mapuslanon ang pagkab-ot sa mas ubos nga boltahe sa tunga nga balud ug mas dako nga bandwidth sa modulasyon sa mas mubo nga gitas-on.
Ang dagway sa low loss lithium niobate submicron waveguide nagbungkag sa bottleneck sa taas nga driving voltage sa tradisyonal nga lithium niobate electro-optic modulator. Ang gilay-on sa electrode mahimong makunhuran ngadto sa ~ 5 μm, ug ang overlap tali sa electric field ug sa optical mode field modako pag-ayo, ug ang vπ ·L mikunhod gikan sa labaw sa 20 V·cm ngadto sa ubos sa 2.8 V·cm. Busa, ubos sa parehas nga boltahe sa tunga nga balud, ang gitas-on sa aparato mahimong makunhuran pag-ayo kung itandi sa tradisyonal nga modulator. Sa parehas nga oras, pagkahuman sa pag-optimize sa mga parameter sa gilapdon, gibag-on ug agwat sa electrode nga nagbiyahe nga balud, ingon sa gipakita sa numero, ang modulator mahimong adunay abilidad sa ultra-high modulation bandwidth nga labaw sa 100 GHz.
Fig.1 （a） kalkulado nga pag-apod-apod sa mode ug （b） imahe sa cross-section sa LN waveguide
Fig.2 （a） Waveguide ug electrode structure ug （b） coreplate sa LN modulator
Ang pagtandi sa manipis nga film lithium niobate modulators sa tradisyonal nga lithium niobate commercial modulators, silicon-based modulators ug indium phosphide (InP) modulators ug uban pang kasamtangan nga high-speed electro-optical modulators, ang mga nag-unang parameter sa pagtandi naglakip sa:
(1) Half-wave volt-length nga produkto (vπ ·L, V·cm), pagsukod sa modulation efficiency sa modulator, mas gamay ang bili, mas taas ang modulation efficiency;
(2) 3 dB modulation bandwidth (GHz), nga nagsukod sa tubag sa modulator sa high-frequency modulation;
(3) Optical insertion loss (dB) sa modulasyon nga rehiyon. Makita gikan sa lamesa nga ang thin film lithium niobate modulator adunay dayag nga bentaha sa modulation bandwidth, half-wave voltage, optical interpolation loss ug uban pa.
Ang Silicon, isip pundasyon sa integrated optoelectronics, naugmad na sa pagkakaron, ang proseso hamtong na, ang miniaturization niini makatabang sa dako nga integrasyon sa aktibo / passive nga mga himan, ug ang modulator niini kaylap ug lawom nga gitun-an sa natad sa optical komunikasyon. Ang mekanismo sa electro-optical modulation sa silicon mao ang nag-una nga carrier depling-tion, carrier injection ug carrier accumulation. Lakip kanila, ang bandwidth sa modulator mao ang kamalaumon uban sa linear degree carrier depletion mekanismo, apan tungod kay ang optical field distribution nagsapaw sa non-uniformity sa depletion nga rehiyon, kini nga epekto magpaila sa nonlinear second-order distortion ug third-order intermodulation distortion. termino, inubanan sa pagsuyup epekto sa carrier sa kahayag, nga mosangpot ngadto sa pagkunhod sa optical modulation amplitude ug signal pagtuis.
Ang InP modulator adunay talagsaong electro-optical effect, ug ang multi-layer quantum well structure makaamgo sa ultra-high rate ug low driving voltage modulators nga adunay Vπ·L hangtod sa 0.156V · mm. Bisan pa, ang pagbag-o sa refractive index nga adunay electric field naglakip sa linear ug nonlinear nga mga termino, ug ang pagtaas sa intensity sa electric field maghimo sa second-order nga epekto nga prominente. Busa, ang silicon ug InP electro-optic modulators kinahanglan nga mag-aplay ug bias aron maporma ang pn junction kung sila magtrabaho, ug ang pn junction magdala sa pagkawala sa pagsuyup sa kahayag. Bisan pa, ang gidak-on sa modulator niining duha gamay, ang komersyal nga gidak-on sa modulator nga InP mao ang 1/4 sa LN modulator. Taas nga modulasyon nga kahusayan, angay alang sa taas nga density ug mubo nga distansya nga digital optical transmission network sama sa mga sentro sa datos. Ang electro-optical nga epekto sa lithium niobate walay mekanismo sa pagsuyup sa kahayag ug ubos nga pagkawala, nga angay alang sa long distance coherentoptical nga komunikasyonnga adunay dako nga kapasidad ug taas nga rate. Sa aplikasyon sa microwave photon, ang electro-optical coefficients sa Si ug InP dili linear, nga dili angay alang sa microwave photon system nga nagsunod sa taas nga linearity ug dako nga dinamika. Ang lithium niobate nga materyal mao ang kaayo angay alang sa microwave photon aplikasyon tungod sa iyang bug-os nga linear electro-optic modulation coefficient.
Panahon sa pag-post: Abr-22-2024