უფრო მაღალი ინტეგრირებული თხელი ფილმი ლითიუმის ნიობატის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორი

მაღალი ხაზოვანიელექტრო ოპტიკური მოდულატორიდა მიკროტალღური ფოტონის პროგრამა
საკომუნიკაციო სისტემების მზარდი მოთხოვნებით, სიგნალების გადაცემის ეფექტურობის კიდევ უფრო გაუმჯობესების მიზნით, ადამიანები დაუკრავენ ფოტონებსა და ელექტრონებს დამატებითი უპირატესობების მისაღწევად, ხოლო მიკროტალღური ფოტონიკები დაიბადებიან. ელექტრო ოპტიკური მოდულატორი საჭიროა ელექტროენერგიის გადაქცევისთვისმიკროტალღური ფოტონური სისტემებიდა ეს ძირითადი ნაბიჯი ჩვეულებრივ განსაზღვრავს მთელი სისტემის მუშაობას. ვინაიდან რადიო სიხშირის სიგნალის ოპტიკურ დომენად გადაქცევა ანალოგური სიგნალის პროცესია და ჩვეულებრივიელექტრო ოპტიკური მოდულატორებიაქვთ თანდაყოლილი არაწრფივი, კონვერტაციის პროცესში არის სერიოზული სიგნალის დამახინჯება. სავარაუდო ხაზოვანი მოდულაციის მისაღწევად, მოდულატორის საოპერაციო წერტილი, როგორც წესი, ფიქსირდება ორთოგონალური მიკერძოებულ წერტილში, მაგრამ ის მაინც ვერ აკმაყოფილებს მიკროტალღოვანი ფოტონის ბმულის მოთხოვნებს მოდულატორის ხაზოვანი ხაზისთვის. სასწრაფოდ საჭიროა ელექტრო ოპტიკური მოდულატორები.

სილიკონის მასალების მაღალსიჩქარიანი რეფრაქციული ინდექსის მოდულაცია ჩვეულებრივ მიიღწევა თავისუფალი გადამზიდავი პლაზმური დისპერსიის (FCD) ეფექტით. როგორც FCD ეფექტი, ასევე PN Junction მოდულაცია არაწრფივია, რაც სილიკონის მოდულატორს ნაკლებად ხაზს ხდის, ვიდრე ლითიუმის ნიობატის მოდულატორი. ლითიუმის ნიობატის მასალები შესანიშნავიაელექტრო ოპტიკური მოდულაციათვისებები მათი პაკერის ეფექტის გამო. ამავდროულად, ლითიუმის ნიობატის მასალას აქვს დიდი სიჩქარის უპირატესობა, კარგი მოდულაციის მახასიათებლები, დაბალი დანაკარგი, მარტივი ინტეგრაცია და ნახევარგამტარული პროცესის თავსებადობა, თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის გამოყენება მაღალი დონის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორის შესაქმნელად, სილიციუმის თითქმის "მოკლე ფირფიტასთან", მაგრამ ასევე მაღალი წრფელის მისაღწევად. თხელი ფილმი Lithium Niobate (LNOI) ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორი იზოლატორზე გახდა პერსპექტიული განვითარების მიმართულება. თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მასალების მომზადების ტექნოლოგიისა და ტალღების შემუშავების ტექნოლოგიის შემუშავებით, თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორის მაღალი კონვერტაციის ეფექტურობა და უფრო მაღალი ინტეგრაცია გახდა საერთაშორისო აკადემიისა და ინდუსტრიის სფერო.

თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მახასიათებლები
შეერთებულ შტატებში DAP AR– ს დაგეგმვამ შეაფასა ლითიუმის ნიობატის მასალების შემდეგი შეფასება: თუ ელექტრონული რევოლუციის ცენტრს სილიკონის მასალის სახელი დაერქვა, რაც შესაძლებელს გახდის, მაშინ ფოტონიკის რევოლუციის სამშობლო სავარაუდოდ დაერქვა ლითიუმის ნიობატის სახელით. ეს იმიტომ ხდება, რომ ლითიუმის ნიობატი აერთიანებს ელექტრო-ოპტიკურ ეფექტს, აკუსტო-ოპტიკურ ეფექტს, პიეზოელექტრულ ეფექტს, თერმოელექტრულ ეფექტს და ფოტოროფრაქციულ ეფექტს ერთში, ისევე, როგორც სილიკონის მასალები ოპტიკის სფეროში.

ოპტიკური გადაცემის მახასიათებლების თვალსაზრისით, INP მასალას აქვს ყველაზე დიდი ჩიპების გადაცემის დაკარგვა, ჩვეულებრივ, გამოყენებული 1550 ნმ ჯგუფში შუქის შეწოვის გამო. SIO2- ს და სილიკონის ნიტრიდს აქვთ გადაცემის საუკეთესო მახასიათებლები, ხოლო ზარალმა შეიძლება მიაღწიოს ~ 0.01dB/სმ -ს დონეს; დღეისათვის, თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის ტალღის ტალღის ტალღის დაკარგვამ შეიძლება მიაღწიოს 0.03dB/სმ-ს დონეს, ხოლო თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის ტალღის დაკარგვამ შეიძლება კიდევ უფრო შემცირდეს მომავალში ტექნოლოგიური დონის მუდმივი გაუმჯობესებით. ამრიგად, თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მასალა აჩვენებს კარგ შესრულებას პასიური მსუბუქი სტრუქტურებისთვის, როგორიცაა ფოტოსინთეზური ბილიკი, შუნტი და მიკრორინგი.

სინათლის წარმოქმნის თვალსაზრისით, მხოლოდ INP- ს აქვს უნარი პირდაპირ გამოსხივდეს სინათლე; ამრიგად, მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისთვის აუცილებელია შემოიტანოთ INP დაფუძნებული შუქის წყარო LNOI დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრირებული ჩიპზე შედუღების ან ეპიტაქსიური ზრდის ზრდის გზით. მსუბუქი მოდულაციის თვალსაზრისით, ხაზგასმით აღინიშნა, რომ თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მასალა უფრო ადვილია უფრო დიდი მოდულაციის სიჩქარის, ქვედა ნახევარ ტალღის ძაბვისა და გადაცემის ქვედა დაკარგვის მიღწევაში, ვიდრე INP და SI. უფრო მეტიც, თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მასალების ელექტრო ოპტიკური მოდულაციის მაღალი წრფივი აუცილებელია მიკროტალღური ფოტონის ყველა პროგრამისთვის.

ოპტიკური მარშრუტიზაციის თვალსაზრისით, თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მასალის მაღალი სიჩქარით ელექტრო ოპტიკური პასუხი ხდის LNOI- ს დაფუძნებულ ოპტიკურ შეცვლას, რომელსაც შეუძლია მაღალი სიჩქარით ოპტიკური მარშრუტიზაციის გადართვა, ხოლო ასეთი მაღალი სიჩქარის გადართვის ენერგიის მოხმარება ასევე ძალიან დაბალია. ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის ტიპიური გამოყენებისთვის, ოპტიკურად კონტროლირებადი სხივების ჩიპს აქვს მაღალი სიჩქარის გადართვის უნარი, რომ დააკმაყოფილოს სწრაფი სხივის სკანირების საჭიროებები, ხოლო ულტრა დაბალი ენერგიის მოხმარების მახასიათებლები კარგად არის ადაპტირებული ფართომასშტაბიანი ფაზური მასივის სისტემის მკაცრ მოთხოვნებთან. მიუხედავად იმისა, რომ INP– ზე დაფუძნებულ ოპტიკურ შეცვლას შეუძლია ასევე გააცნობიეროს მაღალსიჩქარიანი ოპტიკური ბილიკის გადართვა, ის შემოიტანს დიდ ხმაურს, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც მრავალმხრივი ოპტიკური შეცვლა კასკადდება, ხმაურის კოეფიციენტი სერიოზულად გაუარესდება. სილიკონის, SIO2 და სილიკონის ნიტრიდის მასალებს შეუძლიათ მხოლოდ ოპტიკური ბილიკების შეცვლა თერმო-ოპტიკური ეფექტის ან გადამზიდავი დისპერსიული ეფექტის მეშვეობით, რომელსაც აქვს მაღალი ენერგიის მოხმარების უარყოფითი მხარეები და გადართვის ნელი სიჩქარე. როდესაც ეტაპობრივი მასივის მასივის ზომა დიდია, იგი ვერ აკმაყოფილებს ენერგიის მოხმარების მოთხოვნებს.

ოპტიკური გამაძლიერებლის თვალსაზრისით,ნახევარგამტარული ოპტიკური გამაძლიერებელი (SOA) INP– ის საფუძველზე მომწიფდა კომერციული გამოყენებისთვის, მაგრამ მას აქვს ხმაურის მაღალი კოეფიციენტის და დაბალი გაჯერების გამომავალი ენერგიის უარყოფითი მხარეები, რაც ხელს შეუწყობს მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებას. პერიოდული გააქტიურებისა და ინვერსიის საფუძველზე თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის ტალღის პარამეტრული გამაძლიერებელი პროცესი შეიძლება მიაღწიოს დაბალ ხმაურს და მაღალი ენერგიის ჩიპური ოპტიკური გამაძლიერებელი, რომელსაც კარგად შეუძლია დააკმაყოფილოს ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის მოთხოვნები ჩიპური ოპტიკური ამპლიფიკაციისთვის.

სინათლის გამოვლენის თვალსაზრისით, თხელი ფილმი ლითიუმის ნიობატს აქვს გადაცემის კარგი მახასიათებლები 1550 ნმ ჯგუფში. ფოტოელექტრული კონვერტაციის ფუნქცია შეუძლებელია, ასე რომ, მიკროტალღური ფოტონის პროგრამებისთვის, ჩიპზე ფოტოელექტრული კონვერტაციის საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად. Ingaas ან GE-SI გამოვლენის ერთეულები უნდა დაინერგონ LNOI დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრირებული ჩიპების შედუღების ან ეპიტაქსიური ზრდის ზრდის საშუალებით. ოპტიკური ბოჭკოსთან შეერთების თვალსაზრისით, რადგან თავად ოპტიკური ბოჭკოვანი არის SIO2 მასალა, SIO2 ტალღის რეჟიმის ველს აქვს ყველაზე მაღალი შესატყვისი ხარისხი ოპტიკური ბოჭკოს რეჟიმში, ხოლო დაწყვილება ყველაზე მოსახერხებელია. თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მკაცრად შეზღუდული ტალღის რეჟიმის დიამეტრი დაახლოებით 1μm არის, რაც საკმაოდ განსხვავდება ოპტიკური ბოჭკოს რეჟიმის ველიდან, ამიტომ სათანადო რეჟიმის ლაქის ტრანსფორმაცია უნდა განხორციელდეს, რათა შეესაბამებოდეს ოპტიკური ბოჭკოს რეჟიმს.

ინტეგრაციის თვალსაზრისით, აქვს თუ არა სხვადასხვა მასალებს მაღალი ინტეგრაციის პოტენციალი, ძირითადად, დამოკიდებულია ტალღის მოსახვევთა რადიუსზე (გავლენას ახდენს ტალღების რეჟიმის ველის შეზღუდვაზე). მკაცრად შეზღუდული ტალღოვანი საშუალება საშუალებას იძლევა მცირე ზომის მომაბეზრებელი რადიუსი, რაც უფრო ხელს უწყობს მაღალი ინტეგრაციის რეალიზაციას. ამრიგად, თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის ტალღების გამტარებლებს აქვთ მაღალი ინტეგრაციის მისაღწევად. ამრიგად, თხელი ფილმის Lithium Niobate- ის გამოჩენა შესაძლებელს ხდის ლითიუმის ნიობატის მასალას ნამდვილად შეასრულოს ოპტიკური "სილიკონის" როლი. მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისთვის, თხელი ფილმის ლითიუმ ნიობატის უპირატესობები უფრო აშკარაა.