Kostir og mikilvægi þunnfilmu litíumníóbats í samþættri örbylgjufótónatækni
Örbylgjufótónatæknihefur kosti eins og mikla vinnubandvídd, sterka samsíða vinnslugetu og lágt sendingartap, sem hefur möguleika á að brjóta niður tæknilega flöskuhálsa hefðbundinna örbylgjukerfa og bæta afköst rafrænna hernaðarupplýsingatækja eins og ratsjár, rafrænna hernaðar, samskipta og mælinga og stýringar. Hins vegar hefur örbylgjuljósmyndakerfi sem byggir á stakrænum tækjum nokkur vandamál eins og mikið rúmmál, mikla þyngd og lélega stöðugleika, sem takmarkar verulega notkun örbylgjuljósmyndatækni í geim- og loftbornum kerfum. Þess vegna er samþætt örbylgjuljósmyndatækni að verða mikilvægur stuðningur til að brjóta niður notkun örbylgjuljósmynda í rafrænum hernaðarupplýsingakerfum og nýta kosti örbylgjuljósmyndatækni til fulls.
Nú á dögum hafa SI-byggð ljósfræðileg samþættingartækni og INP-byggð ljósfræðileg samþættingartækni orðið sífellt þroskaðri eftir ára þróun á sviði ljósfræðilegra samskipta, og margar vörur hafa verið settar á markað. Hins vegar, fyrir notkun örbylgjuljóseinda, eru nokkur vandamál í þessum tveimur gerðum ljósfræðilegrar samþættingartækni: til dæmis er ólínulegur rafsegulstuðull Si-mótarans og InP-mótarans í andstöðu við mikla línuleika og mikla kraftmikla eiginleika sem örbylgjuljósfræðileg tækni sækist eftir; Til dæmis hefur kísillljósrofi sem gerir ljósleiðarskiptingu, hvort sem hann byggir á varma-ljósfræðilegum áhrifum, piezoelectric áhrifum eða dreifingaráhrifum flutningsaðila, vandamál með hægan rofahraða, orkunotkun og varmanotkun, sem getur ekki uppfyllt hraðgeislaskönnun og stórfelldar örbylgjuljósfræðilegar notkunarsvið.
Litíumníóbat hefur alltaf verið fyrsta valið fyrir mikinn hraðaraf-ljósfræðileg mótunefni vegna framúrskarandi línulegrar rafsegulfræðilegrar áhrifa. Hins vegar er hefðbundið litíumníóbatraf-ljósleiðarier úr gríðarlegu litíumníóbatkristallefni og stærð tækisins er mjög stór, sem getur ekki uppfyllt þarfir samþættrar örbylgjufótónatækni. Hvernig á að samþætta litíumníóbatefni með línulegum rafsegulstuðli í samþætt örbylgjufótónatæknikerfi hefur orðið markmið viðeigandi vísindamanna. Árið 2018 birti rannsóknarteymi frá Harvard-háskóla í Bandaríkjunum fyrst grein um ljósfræðilega samþættingartækni byggða á þunnfilmu litíumníóbati í Nature. Vegna þess að tæknin hefur kosti eins og mikla samþættingu, mikla rafsegulmótunarbandbreidd og mikla línuleika rafseguláhrifa, vakti hún strax athygli fræðimanna og atvinnulífs á sviði ljósfræðilegrar samþættingar og örbylgjufótóna. Frá sjónarhóli örbylgjufótónaforritunar fjallar þessi grein um áhrif og þýðingu ljósfræðilegrar samþættingartækni byggðrar á þunnfilmu litíumníóbati á þróun örbylgjufótónatækni.
Þunnfilmu litíumníóbatefni og þunnfilmalitíum níóbat mótalari
Á síðustu tveimur árum hefur ný tegund af litíumníóbatefni komið fram, þ.e. litíumníóbatfilman er flögnuð af gríðarstórum litíumníóbatkristalli með aðferðinni „jónasneiðing“ og bundin við Si-skífuna með kísilstuðpúðalagi til að mynda LNOI (LiNbO3-On-Insulator) efni [5], sem er kallað þunnfilmu litíumníóbatefni í þessari grein. Hryggbylgjuleiðarar sem eru meira en 100 nanómetrar á hæð geta verið etsaðir á þunnfilmu litíumníóbatefni með fínstilltri þurretsunaraðferð og virkur ljósbrotsstuðull bylgjuleiðaranna sem myndast getur náð meira en 0,8 (mun hærri en ljósbrotsstuðull hefðbundinna litíumníóbatbylgjuleiðara sem er 0,02), eins og sýnt er á mynd 1. Sterkt takmarkaður bylgjuleiðari gerir það auðveldara að samræma ljóssviðið við örbylgjusviðið við hönnun mótarans. Því er hagkvæmt að ná lægri hálfbylgjuspennu og stærri mótunarbandvídd í styttri lengd.
Tilkoma lágtap litíumníóbat undirmíkron bylgjuleiðara brýtur flöskuhálsinn sem fylgir mikilli rekstrarspennu hefðbundinnar litíumníóbat rafsegulmótara. Hægt er að minnka bilið á milli rafskautanna í ~ 5 μm og skörunin milli rafsviðsins og ljóssviðsins eykst til muna og vπ ·L minnkar úr meira en 20 V·cm í minna en 2,8 V·cm. Þess vegna, við sömu hálfbylgjuspennu, er hægt að minnka lengd tækisins til muna samanborið við hefðbundinn mótara. Á sama tíma, eftir að hafa fínstillt breytur fyrir breidd, þykkt og bil ferðabylgjunnar, eins og sýnt er á myndinni, getur mótarinn haft getu til að móta með mjög mikilli mótunarbandvídd sem er meiri en 100 GHz.
Mynd 1 (a) reiknuð stillingardreifing og (b) mynd af þversniði LN bylgjuleiðara
Mynd 2 (a) Uppbygging bylgjuleiðara og rafskauts og (b) kjarnaplata LN mótunarbúnaðar
Samanburður á þunnfilmu litíumníóbatmóturum við hefðbundna litíumníóbatmótara, kísillmótara og indíumfosfíð (InP) mótara og aðra núverandi hraðvirka rafsegulmótara, helstu breytur samanburðarins eru:
(1) Hálfbylgju spennulengdarmargfeldi (vπ ·L, V·cm), sem mælir mótunarhagkvæmni mótarans, því minna sem gildið er, því meiri er mótunarhagkvæmnin;
(2) 3 dB mótunarbandvídd (GHz), sem mælir svörun mótarans við hátíðnimótun;
(3) Ljósfræðilegt innsetningartap (dB) í mótunarsvæðinu. Af töflunni má sjá að þunnfilmu litíumníóbatmótari hefur augljósa kosti í mótunarbandbreidd, hálfbylgjuspennu, ljósfræðilegu innsetningartapi og svo framvegis.
Kísill, sem hornsteinn samþættrar ljósraftækni, hefur verið þróaður hingað til, ferlið er þroskað, smækkun þess stuðlar að stórfelldri samþættingu virkra/óvirkra tækja og mótunarbúnaður þess hefur verið rannsakaður víða og ítarlega á sviði ljósleiðara. Raf-ljósleiðaramótunarkerfi kísils felst aðallega í burðarþynningu, burðarþynningu og burðarþynningu. Meðal þeirra er bandbreidd mótunarbúnaðarins ákjósanleg með línulegri burðarþynningarkerfi, en vegna þess að dreifing ljóssviðsins skarast við ójöfnu eyðingarsvæðisins, mun þessi áhrif leiða til ólínulegra annars stigs röskunar og þriðja stigs millimótunarröskunar, ásamt frásogsáhrifum burðarbúnaðarins á ljósið, sem mun leiða til minnkunar á ljósleiðaramótunarvídd og merkisröskun.
InP mótalarinn hefur framúrskarandi rafsegulfræðileg áhrif og marglaga skammtafræðileg brunnsbyggingin getur framkallað mjög háhraða og lága spennumótara með Vπ·L allt að 0,156V·mm. Hins vegar felur breyting á ljósbrotsstuðli með rafsviði í sér línulega og ólínulega liði og aukning á styrk rafsviðsins mun gera annars stigs áhrif áberandi. Þess vegna þurfa kísill- og InP rafsegulmótarar að beita skekkju til að mynda pn-tengingu þegar þeir virka og pn-tengingin mun valda ljósgleypnistapi. Hins vegar er stærð mótara þessara tveggja lítil og stærð viðskipta InP mótalarans er 1/4 af LN mótalaranum. Mikil mótunarhagkvæmni, hentugur fyrir stafræn ljósflutningsnet með mikla þéttleika og stuttar vegalengdir eins og gagnaver. Rafsegulfræðileg áhrif litíumníóbats hafa engan ljósgleypnikerfi og lítið tap, sem hentar fyrir langdrægar samfelldar sendingar.sjónræn samskiptimeð mikilli afkastagetu og miklum hraða. Í örbylgjufótónum eru rafsegulstuðlarnir Si og InP ólínulegir, sem hentar ekki fyrir örbylgjufótónakerfi sem sækjast eftir mikilli línuleika og mikilli gangvirkni. Litíumníóbatefnið er mjög hentugt fyrir örbylgjufótónum vegna fullkomlega línulegs rafsegulstuðuls þess.
Birtingartími: 22. apríl 2024