Materiale di niobato di litiu à film sottile è modulatore di niobato di litiu à film sottile

Vantaghji è impurtanza di u niobatu di litiu à film sottile in a tecnulugia integrata di fotoni à microonde

Tecnulugia di fotoni à microondeHà i vantaghji di una grande larghezza di banda di travagliu, una forte capacità di trasfurmazione parallela è una bassa perdita di trasmissione, chì hà u putenziale di rompe u collu di buttiglia tecnicu di u sistema tradiziunale à microonde è di migliurà e prestazioni di l'equipaggiu d'infurmazione elettronica militare cum'è u radar, a guerra elettronica, a cumunicazione è a misurazione è u cuntrollu. Tuttavia, u sistema di fotoni à microonde basatu annantu à dispositivi discreti hà alcuni prublemi cum'è u grande vulume, u pesu pesante è a scarsa stabilità, chì limitanu seriamente l'applicazione di a tecnulugia di fotoni à microonde in piattaforme spaziali è aeree. Dunque, a tecnulugia integrata di fotoni à microonde diventa un supportu impurtante per rompe l'applicazione di u fotonu à microonde in u sistema d'infurmazione elettronica militare è dà pienu ghjocu à i vantaghji di a tecnulugia di fotoni à microonde.

Attualmente, a tecnulugia d'integrazione fotonica basata annantu à SI è a tecnulugia d'integrazione fotonica basata annantu à INP sò diventate sempre più mature dopu anni di sviluppu in u campu di a cumunicazione ottica, è assai prudutti sò stati messi in u mercatu. Tuttavia, per l'applicazione di u fotonu à microonde, ci sò qualchi prublemi in questi dui tipi di tecnulugie d'integrazione di fotoni: per esempiu, u cuefficiente elettro-otticu non lineare di u modulatore Si è di u modulatore InP hè cuntrariu à l'alta linearità è à e grande caratteristiche dinamiche perseguite da a tecnulugia di u fotonu à microonde; Per esempiu, l'interruttore otticu di silicone chì realiza a commutazione di u percorsu otticu, sia basatu annantu à l'effettu termicu-otticu, l'effettu piezoelettricu, o l'effettu di dispersione di l'iniezione di u trasportatore, hà i prublemi di velocità di commutazione lenta, cunsumu d'energia è cunsumu di calore, chì ùn ponu micca risponde à l'applicazioni di scansione rapida di u fasciu è di fotonu à microonde à grande scala.

U niobatu di litiu hè sempre statu a prima scelta per l'alta velocità.modulazione elettro-otticamateriali per via di u so eccellente effettu elettro-otticu lineare. Tuttavia, u niobatu di litiu tradiziunalemodulatore elettro-otticuhè fattu di materiale cristallinu massivu di niobatu di litiu, è a dimensione di u dispusitivu hè assai grande, chì ùn pò micca risponde à i bisogni di a tecnulugia integrata di fotoni à microonde. Cumu integrà i materiali di niobatu di litiu cù un cuefficiente elettro-otticu lineare in u sistema integratu di tecnulugia di fotoni à microonde hè diventatu l'ubbiettivu di i circadori pertinenti. In u 2018, una squadra di ricerca di l'Università di Harvard in i Stati Uniti hà riportatu per a prima volta a tecnulugia d'integrazione fotonica basata nantu à u niobatu di litiu à film sottile in Nature, perchè a tecnulugia hà i vantaghji di alta integrazione, grande larghezza di banda di modulazione elettro-ottica è alta linearità di l'effettu elettro-otticu, una volta lanciata, hà subitu suscitatu l'attenzione accademica è industriale in u campu di l'integrazione fotonica è di a fotonica à microonde. Da a perspettiva di l'applicazione di i fotoni à microonde, questu articulu esamina l'influenza è l'impurtanza di a tecnulugia d'integrazione fotonica basata nantu à u niobatu di litiu à film sottile nantu à u sviluppu di a tecnulugia di fotoni à microonde.

Materiale di niobatu di litiu à film sottile è film sottilemodulatore di niobatu di litiu
In l'ultimi dui anni, hè emersu un novu tipu di materiale di niobatu di litiu, vale à dì, u film di niobatu di litiu hè esfoliatu da u cristallu massicciu di niobatu di litiu per mezu di u metudu di "tagliatura ionica" è ligatu à u wafer di Si cù un stratu tampone di silice per furmà u materiale LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], chì hè chjamatu materiale di niobatu di litiu à film sottile in questu articulu. E guide d'onda di cresta cù una altezza di più di 100 nanometri ponu esse incise nantu à i materiali di niobatu di litiu à film sottile per mezu di un prucessu di incisione a secco ottimizzatu, è a differenza effettiva di l'indice di rifrazione di e guide d'onda furmate pò ghjunghje à più di 0,8 (moltu più alta di a differenza di l'indice di rifrazione di e guide d'onda tradiziunali di niobatu di litiu di 0,02), cum'è mostratu in a Figura 1. A guida d'onda fortemente ristretta facilita l'abbinamentu di u campu luminosu cù u campu à microonde quandu si cuncepisce u modulatore. Cusì, hè benefiziu ottene una tensione di mezz'onda più bassa è una larghezza di banda di modulazione più grande in una lunghezza più corta.

L'apparizione di una guida d'onda submicronica in niobato di litiu à bassa perdita rompe u collu di buttiglia di l'alta tensione di guida di u modulatore elettrootticu tradiziunale in niobato di litiu. A spaziatura di l'elettrodi pò esse ridutta à ~ 5 μm, è a sovrapposizione trà u campu elettricu è u campu di u modu otticu hè assai aumentata, è u vπ ·L diminuisce da più di 20 V·cm à menu di 2,8 V·cm. Dunque, sottu a stessa tensione à mezza onda, a lunghezza di u dispusitivu pò esse assai ridutta paragunata à u modulatore tradiziunale. À u listessu tempu, dopu avè ottimizatu i parametri di a larghezza, u spessore è l'intervallu di l'elettrodu d'onda viaghjante, cum'è mostratu in a figura, u modulatore pò avè a capacità di una larghezza di banda di modulazione ultra-alta superiore à 100 GHz.

Fig.1 (a) distribuzione di modu calculata è (b) imagine di a sezione trasversale di a guida d'onda LN

Fig.2 (a) Struttura di guida d'onda è elettrodi è (b) piastra centrale di u modulatore LN

A paragone di i modulatori di niobatu di litiu à film sottile cù i modulatori cummerciali tradiziunali di niobatu di litiu, i modulatori à basa di siliciu è i modulatori di fosfuru d'indiu (InP) è altri modulatori elettro-ottici à alta velocità esistenti, i principali parametri di a paragone includenu:
(1) Pruduttu di lunghezza di volt à mezza onda (vπ ·L, V·cm), chì misura l'efficienza di modulazione di u modulatore, più chjucu hè u valore, più alta hè l'efficienza di modulazione;
(2) Larghezza di banda di modulazione di 3 dB (GHz), chì misura a risposta di u modulatore à a modulazione d'alta frequenza;
(3) Perdita d'inserzione ottica (dB) in a regione di modulazione. Si pò vede da a tavula chì u modulatore di niobatu di litiu à film sottile hà vantaghji evidenti in a larghezza di banda di modulazione, a tensione à mezza onda, a perdita d'interpolazione ottica è cusì.

U siliciu, cum'è a petra angulare di l'optoelettronica integrata, hè statu sviluppatu finu à avà, u prucessu hè maturu, a so miniaturizazione hè favurevule à l'integrazione à grande scala di dispositivi attivi/passivi, è u so modulatore hè statu studiatu largamente è prufundamente in u campu di a cumunicazione ottica. U mecanismu di modulazione elettro-ottica di u siliciu hè principalmente a deplezione di u purtatore, l'iniezione di u purtatore è l'accumulazione di u purtatore. Frà questi, a larghezza di banda di u modulatore hè ottima cù u mecanismu di deplezione di u purtatore di gradu lineare, ma perchè a distribuzione di u campu otticu si sovrappone à a non uniformità di a regione di deplezione, questu effettu introdurrà termini di distorsione non lineare di secondu ordine è di distorsione di intermodulazione di terzu ordine, accumpagnati da l'effettu di assorbimentu di u purtatore nantu à a luce, chì porterà à a riduzione di l'ampiezza di a modulazione ottica è di a distorsione di u signale.

U modulatore InP hà effetti elettro-ottici eccezziunali, è a struttura di pozzu quanticu multistratu pò realizà modulatori di velocità ultra-alta è bassa tensione di guida cù Vπ·L finu à 0,156V · mm. Tuttavia, a variazione di l'indice di rifrazione cù u campu elettricu include termini lineari è non lineari, è l'aumentu di l'intensità di u campu elettricu renderà l'effettu di secondu ordine prominente. Dunque, i modulatori elettro-ottici di silicone è InP anu bisognu di applicà una polarizazione per furmà una giunzione pn quandu funzionanu, è a giunzione pn porterà una perdita di assorbimentu à a luce. Tuttavia, a dimensione di u modulatore di questi dui hè chjuca, a dimensione cummerciale di u modulatore InP hè 1/4 di u modulatore LN. Alta efficienza di modulazione, adatta per reti di trasmissione ottica digitale à alta densità è corta distanza cum'è i centri dati. L'effettu elettro-otticu di u niobatu di litiu ùn hà micca un mecanismu di assorbimentu di luce è una bassa perdita, chì hè adattatu per una coerenza à longa distanza.cumunicazione otticacù una grande capacità è una alta velocità. In l'applicazione di fotoni à microonde, i coefficienti elettro-ottici di Si è InP sò non lineari, ciò chì ùn hè micca adattatu per u sistema di fotoni à microonde chì persegue una alta linearità è una grande dinamica. U materiale di niobatu di litiu hè assai adattatu per l'applicazione di fotoni à microonde per via di u so coefficientu di modulazione elettro-ottica cumpletamente lineare.