Manipis nga pelikula nga lithium niobate nga materyal ug nipis nga pelikula nga lithium niobate modulator

Mga bentaha ug kamahinungdanon sa nipis nga film lithium niobate sa integrated microwave photon technology

Teknolohiya sa photon sa microwaveKini adunay mga bentaha sa dako nga working bandwidth, kusog nga parallel processing ability ug ubos nga transmission loss, nga adunay potensyal sa pagbungkag sa technical bottleneck sa tradisyonal nga microwave system ug pagpauswag sa performance sa military electronic information equipment sama sa radar, electronic warfare, communication ug measurement ug control. Bisan pa, ang microwave photon system nga gibase sa discrete devices adunay pipila ka mga problema sama sa dako nga volume, bug-at nga gibug-aton ug dili maayo nga stability, nga seryoso nga naglimite sa aplikasyon sa microwave photon technology sa spaceborne ug airborne platforms. Busa, ang integrated microwave photon technology nahimong usa ka importante nga suporta aron mabungkag ang aplikasyon sa microwave photon sa military electronic information system ug hatagan og bug-os nga paggamit ang mga bentaha sa microwave photon technology.

Sa pagkakaron, ang SI-based photonic integration technology ug INP-based photonic integration technology nahimong mas hamtong human sa mga katuigan nga pag-uswag sa natad sa optical communication, ug daghang mga produkto ang gibutang sa merkado. Bisan pa, alang sa aplikasyon sa microwave photon, adunay pipila ka mga problema niining duha ka matang sa photon integration technologies: pananglitan, ang nonlinear electro-optical coefficient sa Si modulator ug InP modulator supak sa taas nga linearity ug dako nga dinamikong mga kinaiya nga gisunod sa microwave photon technology; 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 nga beam scanning ug large array scale microwave photon applications.

Ang Lithium niobate kanunay nga unang gipili alang sa taas nga tulinmodulasyon sa elektro-optikomga materyales tungod sa maayo kaayong linear electro-optic effect niini. Apan, ang tradisyonal nga lithium niobatemodulator nga elektro-optikalGihimo gikan sa dakong materyal nga kristal sa lithium niobate, ug ang gidak-on sa aparato dako kaayo, nga dili makatubag sa mga panginahanglan sa integrated microwave photon technology. Ang pag-integrate sa mga materyales sa lithium niobate nga adunay linear electro-optical coefficient ngadto sa integrated microwave photon technology system nahimong tumong sa mga may kalabutan nga tigdukiduki. Niadtong 2018, usa ka research team gikan sa Harvard University sa Estados Unidos ang unang nagreport sa photonic integration technology nga gibase 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 effect, sa dihang gilunsad, kini dayon nakapukaw sa atensyon sa akademiko ug industriya sa natad sa photonic integration ug microwave photonics. Gikan sa perspektibo sa aplikasyon sa microwave photon, kini nga papel nagrepaso sa impluwensya ug kamahinungdanon sa photon integration technology nga gibase sa thin film lithium niobate sa pag-uswag sa microwave photon technology.

Nipis nga pelikula nga lithium niobate nga materyal ug nipis nga pelikulamodulator sa lithium niobate
Sa bag-ohay nga duha ka tuig, usa ka bag-ong klase sa lithium niobate nga materyal ang mitumaw, nga mao, ang lithium niobate film gi-exfoliate gikan sa dako nga lithium niobate crystal pinaagi sa pamaagi sa "ion slicing" ug gi-bond sa Si wafer gamit ang silica buffer layer aron maporma ang LNOI (LiNbO3-On-Insulator) nga materyal [5], nga gitawag nga thin film lithium niobate nga materyal niini nga papel. Ang mga ridge waveguide nga adunay gitas-on nga sobra sa 100 nanometer mahimong i-etch sa thin film lithium niobate nga mga materyales pinaagi sa gi-optimize nga dry etching process, ug ang epektibo nga refractive index difference sa mga waveguide nga naporma mahimong moabot sa sobra sa 0.8 (mas taas kaysa sa refractive index difference sa tradisyonal nga lithium niobate waveguides nga 0.02), sama sa gipakita sa Figure 1. Ang kusgan nga restricted waveguide naghimo niini nga mas sayon ​​​​​​nga ipares ang light field sa microwave field sa pagdesinyo sa modulator. Busa, mapuslanon ang pagkab-ot sa mas ubos nga half-wave voltage ug mas dako nga modulation bandwidth sa mas mubo nga gitas-on.

Ang pagpakita sa low loss lithium niobate submicron waveguide nakabungkag sa bottleneck sa taas nga driving voltage sa tradisyonal nga lithium niobate electro-optic modulator. Ang electrode spacing mahimong maminusan ngadto sa ~ 5 μm, ug ang overlap tali sa electric field ug optical mode field modako pag-ayo, ug ang vπ ·L moubos gikan sa labaw sa 20 V·cm ngadto sa ubos sa 2.8 V·cm. Busa, ubos sa parehas nga half-wave voltage, ang gitas-on sa device mahimong maminusan pag-ayo kon itandi sa tradisyonal nga modulator. Sa samang higayon, human sa pag-optimize sa mga parameter sa gilapdon, gibag-on ug interval sa traveling wave electrode, sama sa gipakita sa hulagway, ang modulator mahimong adunay abilidad sa ultra-high modulation bandwidth nga labaw sa 100 GHz.

Fig.1 （a） gikalkulo nga mode distribution ug （b） nga imahe sa cross-section sa LN waveguide

Hulagway 2 （a） Istruktura sa Waveguide ug elektrod ug （b） coreplate sa LN modulator

Ang pagtandi sa thin film lithium niobate modulators sa tradisyonal nga lithium niobate commercial modulators, silicon-based modulators ug indium phosphide (InP) modulators ug uban pang kasamtangang high-speed electro-optical modulators, ang mga nag-unang parameter sa pagtandi naglakip sa:
(1) Produkto sa gitas-on sa boltahe nga tunga sa balud (vπ ·L, V·cm), sa pagsukod sa kahusayan sa modulasyon sa modulator, kon mas gamay ang bili, mas taas ang kahusayan sa modulasyon;
(2) 3 dB modulation bandwidth (GHz), nga nagsukod sa tubag sa modulator sa high-frequency modulation;
(3) Optical insertion loss (dB) sa rehiyon sa modulasyon. Makita gikan sa lamesa nga ang thin film lithium niobate modulator adunay klaro nga mga bentaha sa modulation bandwidth, half-wave voltage, optical interpolation loss ug uban pa.

Ang Silicon, isip pundasyon sa integrated optoelectronics, naugmad na hangtod karon, ang proseso hamtong na, ang miniaturization niini makatabang sa dako nga integrasyon sa mga aktibo/passive device, ug ang modulator niini kaylap ug lawom nga gitun-an sa natad sa optical communication. Ang electro-optical modulation mechanism sa silicon kasagaran mao ang carrier depling-tion, carrier injection ug carrier accumulation. Lakip niini, ang bandwidth sa modulator mao ang optimal sa linear degree carrier depletion mechanism, apan tungod kay ang optical field distribution nagsapaw sa non-uniformity sa depletion region, kini nga epekto magpaila sa nonlinear second-order distortion ug third-order intermodulation distortion terms, inubanan sa absorption effect sa carrier sa kahayag, nga mosangpot sa pagkunhod sa optical modulation amplitude ug signal distortion.

Ang InP modulator adunay talagsaong electro-optical effects, ug ang multi-layer quantum well structure makahimo sa ultra-high rate ug low driving voltage modulators nga adunay Vπ·L hangtod sa 0.156V · mm. Bisan pa, ang pagkalainlain sa refractive index sa electric field naglakip sa linear ug nonlinear terms, ug ang pagtaas sa electric field intensity maghimo sa second-order effect nga prominente. Busa, ang silicon ug InP electro-optic modulators kinahanglan nga mogamit og bias aron maporma ang pn junction kung kini molihok, ug ang pn junction magdala og absorption loss sa kahayag. Bisan pa, ang gidak-on sa modulator niining duha gamay ra, ang komersyal nga gidak-on sa InP modulator kay 1/4 sa LN modulator. Taas nga modulation efficiency, angay alang sa taas nga density ug mubo nga distansya nga digital optical transmission networks sama sa data centers. Ang electro-optical effect sa lithium niobate walay light absorption mechanism ug ubos nga loss, nga angay alang sa long distance coherent.komunikasyon sa optikanga adunay dakong kapasidad ug taas nga rate. Sa aplikasyon sa microwave photon, ang mga electro-optical coefficients sa Si ug InP kay nonlinear, nga dili angay para sa microwave photon system nga nagtinguha og taas nga linearity ug dagkong dynamics. Ang lithium niobate nga materyal angay kaayo para sa aplikasyon sa microwave photon tungod sa hingpit nga linear electro-optic modulation coefficient niini.