통합 마이크로파 광자 기술에서 박막 리튬 니오베이트의 장점과 의의
마이크로파 광자 기술넓은 작업 대역폭, 강력한 병렬 처리 능력, 낮은 전송 손실 등의 장점을 갖고 있어 기존 마이크로파 시스템의 기술적 병목 현상을 해결하고 레이더, 전자전, 통신 및 측정과 같은 군용 전자 정보 장비의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있습니다. 제어. 그러나 개별 장치를 기반으로 하는 마이크로파 광자 시스템은 부피가 크고 무게가 무겁고 안정성이 좋지 않은 등 몇 가지 문제가 있어 우주 및 공중 플랫폼에서 마이크로파 광자 기술의 적용을 심각하게 제한합니다. 따라서 통합 마이크로파 광자 기술은 군사 전자 정보 시스템에서 마이크로파 광자 응용을 중단하고 마이크로파 광자 기술의 장점을 최대한 활용하는 중요한 지원이 되고 있습니다.
현재 광통신 분야에서 수년간의 개발을 거쳐 SI 기반 광집적 기술과 INP 기반 광집적 기술이 점점 더 성숙해졌으며 많은 제품이 시장에 출시됐다. 그러나 마이크로파 광자를 적용하려면 이 두 종류의 광자 통합 기술에는 몇 가지 문제가 있습니다. 예를 들어 Si 변조기와 InP 변조기의 비선형 전기 광학 계수는 마이크로파가 추구하는 높은 선형성과 큰 동적 특성에 반대됩니다. 광자 기술; 예를 들어, 열-광학 효과, 압전 효과, 캐리어 주입 분산 효과 등 광 경로 스위칭을 구현하는 실리콘 광스위치는 스위칭 속도가 느리고 전력 소모와 열 소모가 빨라 빠른 속도를 만족시키지 못하는 문제가 있다. 빔 스캐닝 및 대규모 배열 규모의 마이크로파 광자 애플리케이션.
니오브산리튬은 항상 고속을 위한 첫 번째 선택이었습니다.전기광학 변조우수한 선형 전기 광학 효과로 인해 재료. 그러나 전통적인 니오브산리튬은전기광학 변조기거대한 니오브산 리튬 결정 소재로 만들어졌으며 장치 크기가 매우 커서 통합 마이크로파 광자 기술의 요구를 충족할 수 없습니다. 선형 전기 광학 계수를 갖는 니오브산 리튬 재료를 통합 마이크로파 광자 기술 시스템에 통합하는 방법은 관련 연구자들의 목표가 되었습니다. 지난 2018년 미국 하버드대학교 연구팀이 니오브산리튬박막 기반 광자 집적 기술을 네이처에 최초로 보고한 바 있다. - 광학 효과는 출시되자마자 광자 통합 및 마이크로파 광자 분야에서 학계와 산업계의 주목을 받았습니다. 본 논문에서는 마이크로파 광자 응용 관점에서 니오브산리튬 기반의 광자 집적 기술이 마이크로파 광자 기술 발전에 미치는 영향과 의의를 검토한다.
니오브산리튬박막재료 및 박막니오브산리튬 변조기
최근 2년 동안 새로운 유형의 니오브산리튬 물질이 등장했습니다. 즉, "이온 슬라이싱" 방법을 통해 거대한 니오브산리튬 결정에서 니오브산리튬 필름을 박리하고 실리카 완충층을 사용하여 Si 웨이퍼에 접합한 것입니다. LNOI(LiNbO3-On-Insulator) 물질[5]을 형성하는데, 이는 본 논문에서 박막 리튬 니오베이트 물질이라고 불린다. 최적화된 건식 에칭 공정을 통해 100나노미터 이상의 높이를 갖는 능선 도파관을 니오브산리튬 박막 재료에 에칭할 수 있으며, 형성된 도파관의 유효 굴절률 차이는 0.8 이상에 도달할 수 있습니다(기존의 굴절률 차이보다 훨씬 높음). 그림 1에 표시된 니오브산 리튬 도파관(0.02)). 강력하게 제한된 도파관을 사용하면 변조기를 설계할 때 라이트 필드와 마이크로파 필드를 더 쉽게 일치시킬 수 있습니다. 따라서 더 짧은 길이에서 더 낮은 반파장 전압과 더 큰 변조 대역폭을 달성하는 것이 유리합니다.
저손실 니오브산리튬 서브미크론 도파관의 출현은 전통적인 니오브산리튬 전기광학 변조기의 높은 구동 전압의 병목 현상을 해소합니다. 전극 간격은 ~5μm까지 줄일 수 있고, 전기장과 광학 모드 필드 사이의 중첩이 크게 증가하며, vπ·L은 20V·cm 이상에서 2.8V·cm 미만으로 감소합니다. 따라서 동일한 반파장 전압에서 기존 변조기에 비해 장치의 길이를 크게 줄일 수 있습니다. 동시에 그림과 같이 진행파 전극의 폭, 두께 및 간격 매개 변수를 최적화한 후 변조기는 100GHz 이상의 초고 변조 대역폭 능력을 가질 수 있습니다.
그림 1 (a) 계산된 모드 분포 및 (b) LN 도파관 단면 이미지
그림 2 (a) 도파관과 전극 구조 및 (b) LN 변조기의 코어플레이트
박막 니오브산리튬 변조기와 기존의 니오브산리튬 상용 변조기, 실리콘 기반 변조기, 인듐 인화물(InP) 변조기 및 기타 기존 고속 전기광학 변조기와 비교한 주요 비교 매개변수는 다음과 같습니다.
(1) 반파장 전압길이 곱(vπ·L, V·cm)은 변조기의 변조 효율을 측정하며, 값이 작을수록 변조 효율이 높다.
(2) 고주파 변조에 대한 변조기의 응답을 측정하는 3dB 변조 대역폭(GHz)
(3) 변조 영역의 광 삽입 손실(dB). 표에서 볼 수 있듯이 박막 리튬 니오베이트 변조기는 변조 대역폭, 반파장 전압, 광학 보간 손실 등에서 명백한 이점을 가지고 있습니다.
통합 광전자 공학의 초석인 실리콘은 지금까지 개발되어 공정이 성숙되었으며, 소형화는 능동/수동 장치의 대규모 통합에 도움이 되며, 변조기는 광학 분야에서 광범위하고 깊이 연구되어 왔습니다. 의사소통. 실리콘의 전기광학 변조 메커니즘은 주로 캐리어 공핍, 캐리어 주입 및 캐리어 축적입니다. 그 중 변조기의 대역폭은 선형 정도 캐리어 공핍 메커니즘으로 최적이지만, 광 필드 분포가 공핍 영역의 불균일성과 겹치기 때문에 이 효과는 비선형 2차 왜곡과 3차 상호 변조 왜곡을 유발합니다. 빛에 대한 캐리어의 흡수 효과와 결합되어 광 변조 진폭과 신호 왜곡이 감소합니다.
InP 변조기는 전기광학 효과가 뛰어나며, 다층 양자우물 구조는 Vπ·L이 최대 0.156V·mm인 초고속·저구동전압 변조기를 구현할 수 있다. 그러나 전기장에 따른 굴절률의 변화에는 선형 및 비선형 항이 포함되며, 전기장 강도가 증가하면 2차 효과가 두드러집니다. 따라서 실리콘 및 InP 전기광학 변조기는 작동 시 pn 접합을 형성하기 위해 바이어스를 적용해야 하며 pn 접합은 빛에 흡수 손실을 가져옵니다. 그러나 이 두 가지 변조기 크기는 작으며 상용 InP 변조기 크기는 LN 변조기의 1/4입니다. 높은 변조 효율로 데이터 센터와 같은 고밀도 및 단거리 디지털 광전송 네트워크에 적합합니다. 니오브산리튬의 전기광학 효과는 광흡수 메커니즘이 없고 손실이 적어 장거리 결맞음에 적합합니다.광통신큰 수용량 및 높은 비율로. 마이크로파 광자 응용에서 Si와 InP의 전기광학 계수는 비선형적이므로 높은 선형성과 큰 동역학을 추구하는 마이크로파 광자 시스템에는 적합하지 않습니다. 니오브산 리튬 재료는 완전히 선형적인 전기 광학 변조 계수로 인해 마이크로파 광자 응용에 매우 적합합니다.
게시 시간: 2024년 4월 22일