統合されたマイクロ波光子技術における薄膜niobateリチウムの利点と重要性
マイクロ波光子技術大規模な作業帯域幅、強力な並列処理能力、および低いトランスミッション損失の利点があります。これは、従来のマイクロ波システムの技術的なボトルネックを破り、レーダー、電子戦、通信、測定、制御などの軍事電子情報機器のパフォーマンスを向上させる可能性があります。ただし、離散デバイスに基づくマイクロ波光子システムには、大量、重量、安定性が低いなど、いくつかの問題があり、宇宙船および空中プラットフォームでのマイクロ波光子技術の適用を深刻に制限しています。したがって、統合されたマイクロ波光子技術は、軍事電子情報システムでのマイクロ波光子の適用を破り、マイクロ波光子技術の利点に完全なプレイを提供する重要なサポートになりつつあります。
現在、SIベースのフォトニック統合テクノロジーとINPベースのフォトニック統合技術は、光学通信の分野で長年開発された後、ますます成熟しており、多くの製品が市場に投入されています。ただし、マイクロ波光子の適用には、これらの2種類の光子統合技術にはいくつかの問題があります。たとえば、Siモジュレーターの非線形電気光学係数とINP変調器は、マイクロ波光子技術によって追求される高線形性と大きな動的特性とは反対です。たとえば、熱光学効果、圧電効果、またはキャリア噴射の分散効果に基づいて、光学パススイッチングを実現するシリコン光スイッチは、高速ビームスキャニングと大規模なアレイスケールマイクロウェーブ光子適用を満たすことができない遅いスイッチング速度、消費電力、熱消費の問題を抱えています。
niobateリチウムは常に高速の最初の選択肢でした電気光学的変調材料その優れた線形電気光学効果のため。ただし、従来のニオベートリチウム電気光学変調器大量のニオベート結晶材料で作られており、デバイスのサイズは非常に大きく、統合されたマイクロ波光子技術のニーズを満たすことができません。リチウムニオベート材料を線形電気光学係数と統合されたマイクロ波光子技術システムに統合する方法は、関連する研究者の目標となっています。 2018年、米国のハーバード大学の研究チームは、この技術には高い統合、大規模な電気変調帯域幅、および発射が一度発売されると電気光学効果の高い直線性の利点があるため、自然界の薄膜リチウムに基づくフォトニック統合技術を最初に報告しました。マイクロ波光子アプリケーションの観点から見ると、このペーパーでは、マイクロ波光子技術の開発に及ぼす薄膜Niobateに基づいた光子統合技術の影響と重要性をレビューします。
薄膜ニオベート材料と薄膜リチウムニオベートモジュレーター
最近の2年間で、新しいタイプのニオベート材料リチウムが出現しました。つまり、ニオベートリチウムフィルムは、「イオンスライス」の方法により大規模なニオベート結晶から剥離され、シリカ緩衝層を備えたSiウェーハに結合してLnoi（Linbo-on-Insulator）材料を形成します。ナノメートルを100を超える高さの尾根導波路は、最適化されたドライエッチングプロセスによって薄膜ニオベート材料にエッチングでき、形成された導波路の効果的な屈折率の差は0.8以上に達する可能性があります（0.02の従来のニオベート波動ガイドの屈折率差よりもはるかに高くなります。モジュレーターを設計するときのマイクロ波フィールド。したがって、より短い長さで低い半波電圧とより大きな変調帯域幅を達成することは有益です。
低損失リチウムニオベートサブミクロン導波路の出現は、従来のニオベートリチウムエレクトロオプティックモジュレーターの高駆動電圧のボトルネックを破壊します。電極間隔は〜5μmに縮小することができ、電界と光学モード場の間のオーバーラップが大幅に増加し、Vπ・Lは20 V・cm以上から2.8 V・cm未満に減少します。したがって、同じ半波電圧では、従来のモジュレーターと比較して、デバイスの長さを大幅に削減できます。同時に、図に示すように、移動波電極の幅、厚さ、間隔のパラメーターを最適化した後、変調器は100 GHzを超える超高変調帯域幅の能力を持つことができます。
図1は、ln導波路の断面の計算されたモード分布と（b）
図2は、LNモジュレーターのコアプレートa a a wavegide and電極構造と電極構造と電極構造と
従来のニオブ酸リチウムコマーブモジュレーター、シリコンベースのモジュレーター、リン化インジウム（INP）モジュレーター、およびその他の既存の高速電気光学モジュレーターとの薄膜ニオベートモジュレーターの比較、比較の主なパラメーターは次のとおりです。
（1）変調器の変調効率を測定するハーフ波ボルトレングス産物（Vπ・L、V・Cm）、値が小さくなるほど、変調効率が高くなります。
（2）3 dB変調帯域幅（GHz）。これは、高周波変調に対する変調器の応答を測定します。
（3）変調領域の光学挿入損失（DB）。テーブルから、薄膜niobate変調器リチウムは、変調帯域幅、半波電圧、光学補間の損失などに明らかな利点があることがわかります。
シリコンは、統合されたオプトエレクトロニクスの礎石であるため、これまでに開発されており、プロセスは成熟しており、その小型化はアクティブ/パッシブデバイスの大規模な統合を助長し、そのモジュレーターは光学通信の分野で広く深く研究されています。シリコンの電気光学的変調メカニズムは、主にキャリアの枯渇、キャリア注入、およびキャリアの蓄積です。その中で、変調器の帯域幅は線形キャリアの枯渇メカニズムで最適ですが、光学界分布が枯渇領域の不均一性と重複するため、この効果は非線形の2次の歪みと、光の吸収効果と結合して、光の吸収効果と結合し、光の吸収効果と結合します。
INPモジュレーターには優れた電気光学効果があり、多層量子井戸構造は、vπ・Lが0.156V・mmのvπ・Lを備えた非常に高い速度と低駆動電圧モジュレーターを実現できます。ただし、電界を使用した屈折率の変動には、線形および非線形の項が含まれ、電界強度の増加により、2次効果が顕著になります。したがって、シリコンとINPの電気光学モジュレーターは、動作するときにPN接合部を形成するためにバイアスを適用する必要があり、PN接合部は吸収損失を光にもたらします。ただし、これら2つのモジュレーターサイズは小さく、市販のINP変調器サイズはLNモジュレーターの1/4です。高密度および短距離デジタル光学伝送ネットワークに適した高変調効率。 niobateリチウムの電気光学効果には、光吸収メカニズムや低損失がありません。これは長距離コヒーレントに適しています光学通信大容量と高いレート。マイクロ波光子アプリケーションでは、SiおよびINPの電気光学係数は非線形であり、これは高い直線性と大きなダイナミクスを追求するマイクロ波光子システムには適していません。ニオベートリチウム材料は、完全に線形の電気光学的変調係数のため、マイクロ波光子散布に非常に適しています。
投稿時間：APR-22-2024