Awọn anfani ati pataki ti fiimu tinrin litiumu niobate ninu imọ-ẹrọ fotonu makirowefu
Microwave photon ọna ẹrọni awọn anfani ti bandiwidi iṣẹ nla, agbara iṣelọpọ afiwera to lagbara ati pipadanu gbigbe kekere, eyiti o ni agbara lati fọ igo imọ-ẹrọ ti eto makirowefu ibile ati ilọsiwaju iṣẹ ti ohun elo alaye itanna ologun gẹgẹbi radar, ogun itanna, ibaraẹnisọrọ ati wiwọn ati iṣakoso. Bibẹẹkọ, eto photon makirowefu ti o da lori awọn ẹrọ ọtọtọ ni diẹ ninu awọn iṣoro bii iwọn didun nla, iwuwo iwuwo ati iduroṣinṣin ti ko dara, eyiti o ni ihamọ ohun elo ti imọ-ẹrọ photon makirowefu ni aaye ati awọn iru ẹrọ afẹfẹ. Nitorinaa, imọ-ẹrọ fotonu makirowefu ti irẹpọ n di atilẹyin pataki lati fọ ohun elo ti fotonu makirowefu ni eto alaye itanna ologun ati fun ere ni kikun si awọn anfani ti imọ-ẹrọ fotonu makirowefu.
Ni bayi, imọ-ẹrọ isọdọkan photonic ti o da lori SI ati imọ-ẹrọ isọdọkan photonic ti o da lori INP ti di pupọ ati siwaju sii lẹhin awọn ọdun ti idagbasoke ni aaye ti ibaraẹnisọrọ opiti, ati pe ọpọlọpọ awọn ọja ti wa ni ọja. Bibẹẹkọ, fun ohun elo photon makirowefu, awọn iṣoro diẹ wa ninu awọn iru meji ti awọn imọ-ẹrọ isọpọ photon: fun apẹẹrẹ, elekitiro-opitika alaiṣe alaiṣe ti Si modulator ati modulator InP jẹ ilodi si laini giga ati awọn abuda agbara nla ti o lepa nipasẹ makirowefu ọna ẹrọ photon; Fun apẹẹrẹ, iyipada opiti silikoni ti o mọ iyipada ọna opiti, boya da lori ipa ipa-opitika, ipa piezoelectric, tabi ipa pipinka abẹrẹ ti ngbe, ni awọn iṣoro ti iyara yiyi lọra, agbara agbara ati agbara ooru, eyiti ko le pade iyara Ṣiṣayẹwo tan ina ati titobi titobi titobi awọn ohun elo fọtonu makirowefu.
Lithium niobate nigbagbogbo jẹ yiyan akọkọ fun iyara gigaelekitiro-opitiki awoseawọn ohun elo nitori ipa elekitiro-opiti laini ti o dara julọ. Sibẹsibẹ, awọn ibile litiumu niobateelekitiro-opitika modulatorjẹ ohun elo litiumu niobate gara, ati iwọn ẹrọ naa tobi pupọ, eyiti ko le ba awọn iwulo ti imọ-ẹrọ fotonu makirowefu ṣepọ. Bii o ṣe le ṣepọ awọn ohun elo lithium niobate pẹlu elekitiro-opitika onisọdipupọ laini sinu eto imọ-ẹrọ photon makirowefu ti irẹpọ ti di ibi-afẹde ti awọn oniwadi ti o yẹ. Ni ọdun 2018, ẹgbẹ iwadii kan lati Ile-ẹkọ giga Harvard ni Ilu Amẹrika akọkọ royin imọ-ẹrọ isọpọ photonic ti o da lori fiimu tinrin litiumu niobate ni Iseda, nitori imọ-ẹrọ naa ni awọn anfani ti isọpọ giga, bandiwidi iwọn elekitiro-opitika nla, ati laini giga ti elekitiro -optical ipa, ni kete ti se igbekale, o lẹsẹkẹsẹ ṣẹlẹ awọn omowe ati ise akiyesi ni awọn aaye ti photonic Integration ati makirowefu photonics. Lati irisi ohun elo fotonu makirowefu, iwe yii ṣe atunwo ipa ati pataki ti imọ-ẹrọ iṣọpọ photon ti o da lori fiimu tinrin litiumu niobate lori idagbasoke ti imọ-ẹrọ photon makirowefu.
Fiimu tinrin litiumu niobate ohun elo ati fiimu tinrinlitiumu niobate modulator
Ni ọdun meji to ṣẹṣẹ, iru ohun elo litiumu niobate tuntun ti farahan, iyẹn ni, fiimu lithium niobate ti yọ kuro lati inu kirisita lithium niobate nla nipasẹ ọna ti “iyan ion” ati ti a so mọ Si wafer pẹlu Layer buffer silica si fọọmu LNOI (LiNbO3-On-Insulator) ohun elo [5], eyi ti a npe ni tinrin fiimu lithium niobate ohun elo ninu iwe yi. Ridge waveguides pẹlu giga ti diẹ ẹ sii ju 100 nanometers le wa ni etched lori tinrin fiimu litiumu niobate awọn ohun elo nipa iṣapeye gbẹ etching ilana, ati awọn doko refractive atọka iyato ti waveguides akoso le de ọdọ diẹ ẹ sii ju 0.8 (jina ti o ga ju awọn refractive atọka iyato ti ibile ibile. lithium niobate waveguides ti 0.02), bi o han ni Figure 1. Awọn strongly ihamọ waveguide mu ki o rọrun lati baramu awọn aaye ina pẹlu makirowefu aaye nigba nse awọn modulator. Nitorinaa, o jẹ anfani lati ṣaṣeyọri foliteji idaji-igbi kekere ati bandiwidi titobi nla ni gigun kukuru.
Hihan ti kekere pipadanu litiumu niobate submicron waveguide fi opin si bottleneck ti ga awakọ foliteji ti ibile litiumu niobate elekitiro-opitiki modulator. Aye elekiturodu le dinku si ~ 5 μm, ati agbekọja laarin aaye ina ati aaye ipo opitika pọ si pupọ, ati vπ · L dinku lati diẹ sii ju 20 V · cm si kere ju 2.8 V · cm. Nitorinaa, labẹ foliteji idaji-igbi kanna, ipari ti ẹrọ naa le dinku pupọ ni akawe pẹlu modulator ibile. Ni akoko kanna, lẹhin iṣapeye awọn aye ti iwọn, sisanra ati aarin ti elekiturodu igbi irin-ajo, bi o ti han ninu eeya, modulator le ni agbara ti iwọn bandiwidi iwọn-giga giga ju 100 GHz lọ.
Fig.1 (a) pinpin ipo iṣiro ati (b) aworan ti apakan-agbelebu ti LN waveguide
Fig.2 (a) Waveguide ati elekiturodu be ati (b) coreplate ti LN modulator
Ifiwera ti awọn oluyipada litiumu niobate fiimu tinrin pẹlu awọn adaṣe iṣowo litiumu niobate ti aṣa, awọn oluyipada ti o da lori silikoni ati awọn oluyipada indium phosphide (InP) ati awọn oluyipada iyara-iyara elekitiro-opitika miiran ti o wa tẹlẹ, awọn aye akọkọ ti lafiwe pẹlu:
(1) Ọja gigun-idaji-igbi volt (vπ · L, V · cm), wiwọn iṣiṣẹ iṣatunṣe ti modulator, iye ti o kere si, ti o ga julọ imudara awose;
(2) 3 dB modulation bandiwidi (GHz), eyi ti o ṣe iwọn idahun ti modulator si imudani-igbohunsafẹfẹ giga;
(3) Pipadanu ifibọ opitika (dB) ni agbegbe awose. O le rii lati ori tabili pe modulator litiumu niobate fiimu tinrin ni awọn anfani ti o han gbangba ni bandiwidi awose, foliteji idaji-igbi, pipadanu interpolation opiti ati bẹbẹ lọ.
Ohun alumọni, gẹgẹ bi okuta igun-ile ti awọn optoelectronics ti a ṣepọ, ti ni idagbasoke titi di isisiyi, ilana naa ti dagba, miniaturization rẹ jẹ iwunilori si isọdọkan titobi nla ti awọn ẹrọ ti nṣiṣe lọwọ / palolo, ati pe modulator rẹ ti ni ibigbogbo ati jinlẹ ni aaye ti opitika. ibaraẹnisọrọ. Ẹrọ awose elekitiro-opitika ti ohun alumọni jẹ nipataki ti ngbe depling-tion, abẹrẹ ti ngbe ati ikojọpọ ti ngbe. Lara wọn, bandiwidi ti modulator jẹ ti o dara julọ pẹlu ọna ṣiṣe idinku ti ngbe iwọn ila ila, ṣugbọn nitori pe pinpin aaye opiti n ṣakojọpọ pẹlu aiṣe-iṣọkan ti agbegbe idinku, ipa yii yoo ṣe agbekale idibajẹ aṣẹ-keji ti kii ṣe deede ati ipalọlọ intermodulation aṣẹ-kẹta. awọn ofin, pọ pẹlu ipa gbigba ti awọn ti ngbe lori ina, eyi ti yoo ja si idinku ti opitika awose titobi ati ipalọlọ ifihan agbara.
Modulator InP naa ni awọn ipa elekitiro-opitika to dayato, ati pe ọna ti o dara pupọ-Layer kuatomu le mọ oṣuwọn giga-giga ati awọn modulators foliteji awakọ kekere pẹlu Vπ · L to 0.156V · mm. Bibẹẹkọ, iyatọ ti atọka itọka pẹlu aaye ina mọnamọna pẹlu laini ati awọn ọrọ ti kii ṣe laini, ati ilosoke ti aaye ina mọnamọna yoo jẹ ki ipa aṣẹ-keji jẹ olokiki. Nitorinaa, ohun alumọni ati InP elekitiro-opiti modulators nilo lati lo irẹjẹ lati ṣe agbekalẹ pn ipade nigba ti wọn ṣiṣẹ, ati pe ipade pn yoo mu pipadanu gbigba si ina. Sibẹsibẹ, iwọn modulator ti awọn meji wọnyi kere, iwọn InP modulator ti iṣowo jẹ 1/4 ti modulator LN. Iṣiṣẹ modulation giga, o dara fun iwuwo giga ati ijinna kukuru awọn nẹtiwọọki gbigbe oni nọmba bii awọn ile-iṣẹ data. Ipa elekitiro-opitika ti litiumu niobate ko ni ẹrọ gbigba ina ati isonu kekere, eyiti o dara fun isunmọ ijinna pipẹopitika ibaraẹnisọrọpẹlu agbara nla ati oṣuwọn giga. Ninu ohun elo photon makirowefu, awọn onisọditi elekitiro-opitika ti Si ati InP jẹ aiṣedeede, eyiti ko dara fun eto photon makirowefu eyiti o lepa laini giga ati awọn ipadanu nla. Ohun elo litiumu niobate dara pupọ fun ohun elo photon makirowefu nitori alasọdipupo awose elekitiro-opiti laini patapata.
Akoko ifiweranṣẹ: Oṣu Kẹrin Ọjọ 22-2024