უფრო მაღალი ინტეგრირებული თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის ელექტროოპტიკური მოდულატორი

მაღალი წრფივობაელექტრო-ოპტიკური მოდულატორიდა მიკროტალღური ფოტონის გამოყენება
საკომუნიკაციო სისტემების მზარდი მოთხოვნების გათვალისწინებით, სიგნალების გადაცემის ეფექტურობის შემდგომი გაუმჯობესების მიზნით, ადამიანები ფოტონებსა და ელექტრონებს შეაერთებენ დამატებითი უპირატესობების მისაღწევად და დაიბადება მიკროტალღური ფოტონიკა. ელექტროოპტიკური მოდულატორი საჭიროა ელექტროენერგიის სინათლედ გარდასაქმნელად.მიკროტალღური ფოტონური სისტემებიდა ეს საკვანძო ნაბიჯი, როგორც წესი, განსაზღვრავს მთელი სისტემის მუშაობას. რადგან რადიოსიხშირული სიგნალის ოპტიკურ დომენად გარდაქმნა ანალოგური სიგნალის პროცესია და ჩვეულებრივიელექტრო-ოპტიკური მოდულატორებივინაიდან მათ აქვთ თანდაყოლილი არაწრფივობა, გარდაქმნის პროცესში სიგნალის სერიოზული დამახინჯებაა. მიახლოებითი წრფივი მოდულაციის მისაღწევად, მოდულატორის სამუშაო წერტილი, როგორც წესი, ფიქსირებულია ორთოგონალურ გადახრის წერტილში, მაგრამ ის მაინც ვერ აკმაყოფილებს მიკროტალღური ფოტონური კავშირის მოთხოვნებს მოდულატორის წრფივობისთვის. სასწრაფოდ საჭიროა მაღალი წრფივობის მქონე ელექტროოპტიკური მოდულატორები.

სილიციუმის მასალების მაღალსიჩქარიანი გარდატეხის ინდექსის მოდულაცია, როგორც წესი, მიიღწევა თავისუფალი მატარებლის პლაზმური დისპერსიის (FCD) ეფექტით. როგორც FCD ეფექტი, ასევე PN შეერთების მოდულაცია არაწრფივია, რაც სილიციუმის მოდულატორს ნაკლებად წრფივს ხდის, ვიდრე ლითიუმის ნიობატის მოდულატორს. ლითიუმის ნიობატის მასალები შესანიშნავ მაჩვენებლებს ავლენენ.ელექტროოპტიკური მოდულაციათვისებები განპირობებულია მათი პაკერის ეფექტით. ამავდროულად, ლითიუმ-ნიობატის მასალას აქვს დიდი გამტარუნარიანობის, კარგი მოდულაციური მახასიათებლების, დაბალი დანაკარგების, მარტივი ინტეგრაციისა და ნახევარგამტარულ პროცესთან თავსებადობის უპირატესობები, თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის გამოყენება მაღალი ხარისხის ელექტროოპტიკური მოდულატორის შესაქმნელად, სილიკონთან შედარებით თითქმის არ აქვს „მოკლე ფირფიტა“, არამედ აღწევს მაღალ წრფივობას. თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის (LNOI) ელექტროოპტიკური მოდულატორი იზოლატორზე პერსპექტიული განვითარების მიმართულება გახდა. თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის მასალის მომზადების ტექნოლოგიისა და ტალღის გამტარი გრავირების ტექნოლოგიის შემუშავებით, თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის ელექტროოპტიკური მოდულატორის მაღალი გარდაქმნის ეფექტურობა და უფრო მაღალი ინტეგრაცია საერთაშორისო აკადემიური და ინდუსტრიული სფერო გახდა.

თხელი ფენის ლითიუმის ნიობატის მახასიათებლები
ამერიკის შეერთებულ შტატებში DAP AR დაგეგმარებით ლითიუმ ნიობატის მასალების შემდეგი შეფასება განხორციელდა: თუ ელექტრონული რევოლუციის ცენტრს სახელი დაერქვა იმ სილიციუმის მასალის მიხედვით, რომელიც მას შესაძლებელს ხდის, მაშინ ფოტონიკის რევოლუციის სამშობლო, სავარაუდოდ, ლითიუმის ნიობატის სახელს დაერქმევა. ეს იმიტომ ხდება, რომ ლითიუმის ნიობატი აერთიანებს ელექტროოპტიკურ ეფექტს, აკუსტოპტიკურ ეფექტს, პიეზოელექტრულ ეფექტს, თერმოელექტრულ ეფექტს და ფოტორეფრაქციულ ეფექტს, ისევე როგორც სილიციუმის მასალები ოპტიკის სფეროში.

ოპტიკური გადაცემის მახასიათებლების თვალსაზრისით, InP მასალას აქვს ჩიპზე გადაცემის ყველაზე დიდი დანაკარგი, რაც გამოწვეულია სინათლის შთანთქმით ფართოდ გამოყენებულ 1550 ნმ დიაპაზონში. SiO2-ს და სილიციუმის ნიტრიდს აქვთ საუკეთესო გადაცემის მახასიათებლები და დანაკარგმა შეიძლება მიაღწიოს ~0.01dB/cm დონეს; ამჟამად, თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის ტალღგამტარის ტალღგამტარის დანაკარგმა შეიძლება მიაღწიოს 0.03dB/cm დონეს და თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის ტალღგამტარის დანაკარგს აქვს პოტენციალი, კიდევ უფრო შემცირდეს მომავალში ტექნოლოგიური დონის უწყვეტი გაუმჯობესებით. ამრიგად, თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის მასალა აჩვენებს კარგ შესრულებას პასიური სინათლის სტრუქტურებისთვის, როგორიცაა ფოტოსინთეზური გზა, შუნტი და მიკრორგოლი.

სინათლის გენერაციის თვალსაზრისით, მხოლოდ InP-ს აქვს სინათლის პირდაპირი გამოსხივების უნარი; ამიტომ, მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისთვის აუცილებელია InP-ზე დაფუძნებული სინათლის წყაროს LNOI-ზე დაფუძნებულ ფოტონურ ინტეგრირებულ ჩიპზე შედუღების ან ეპიტაქსიური ზრდის გზით შეყვანა. სინათლის მოდულაციის თვალსაზრისით, ზემოთ ხაზგასმით აღინიშნა, რომ თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის მასალა უფრო ადვილად აღწევს უფრო დიდ მოდულაციის გამტარობას, უფრო დაბალ ნახევარტალღურ ძაბვას და უფრო დაბალ გადაცემის დანაკარგებს, ვიდრე InP და Si. გარდა ამისა, თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის მასალების ელექტროოპტიკური მოდულაციის მაღალი წრფივობა აუცილებელია მიკროტალღური ფოტონების ყველა გამოყენებისთვის.

ოპტიკური მარშრუტიზაციის თვალსაზრისით, თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის მასალის მაღალსიჩქარიანი ელექტრო-ოპტიკური რეაქცია LNOI-ზე დაფუძნებულ ოპტიკურ გადამრთველს მაღალსიჩქარიანი ოპტიკური მარშრუტიზაციის გადართვის შესაძლებლობას აძლევს, ხოლო ასეთი მაღალსიჩქარიანი გადართვის ენერგომოხმარება ასევე ძალიან დაბალია. ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის ტიპიური გამოყენებისთვის, ოპტიკურად კონტროლირებად სხივის ფორმირების ჩიპს აქვს მაღალსიჩქარიანი გადართვის უნარი, რათა დააკმაყოფილოს სწრაფი სხივური სკანირების საჭიროებები, ხოლო ულტრა დაბალი ენერგომოხმარების მახასიათებლები კარგად არის ადაპტირებული ფართომასშტაბიანი ფაზური მასივის სისტემის მკაცრ მოთხოვნებთან. მიუხედავად იმისა, რომ InP-ზე დაფუძნებულ ოპტიკურ გადამრთველს ასევე შეუძლია მაღალსიჩქარიანი ოპტიკური გზის გადართვის განხორციელება, ის წარმოქმნის დიდ ხმაურს, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც მრავალდონიანი ოპტიკური გადამრთველი კასკადურია, ხმაურის კოეფიციენტი მნიშვნელოვნად გაუარესდება. სილიციუმის, SiO2-ის და სილიციუმის ნიტრიდის მასალებს შეუძლიათ ოპტიკური გზის გადართვა მხოლოდ თერმოოპტიკური ეფექტის ან მატარებლის დისპერსიის ეფექტის მეშვეობით, რასაც აქვს მაღალი ენერგომოხმარების და ნელი გადართვის სიჩქარის ნაკლოვანებები. როდესაც ფაზური მასივის მასივის ზომა დიდია, ის ვერ აკმაყოფილებს ენერგომოხმარების მოთხოვნებს.

ოპტიკური გამაძლიერებლის თვალსაზრისით,ნახევარგამტარული ოპტიკური გამაძლიერებელი (SOA) დაფუძნებულია InP-ზე და წარმატებით გამოიყენება კომერციული მიზნებისთვის, თუმცა მას აქვს მაღალი ხმაურის კოეფიციენტი და დაბალი გაჯერების გამომავალი სიმძლავრე, რაც ხელს არ უწყობს მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებას. პერიოდულ აქტივაციასა და ინვერსიაზე დაფუძნებული თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის ტალღგამტარის პარამეტრული გაძლიერების პროცესით შესაძლებელია დაბალი ხმაურისა და მაღალი სიმძლავრის ჩიპზე ოპტიკურ გაძლიერების მიღწევა, რაც კარგად აკმაყოფილებს ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონების ტექნოლოგიის მოთხოვნებს ჩიპზე ოპტიკური გაძლიერებისთვის.

სინათლის დეტექციის თვალსაზრისით, თხელფენოვანი ლითიუმის ნიობატი 1550 ნმ დიაპაზონში სინათლეზე კარგი გადაცემის მახასიათებლებით ხასიათდება. ფოტოელექტრული გარდაქმნის ფუნქცია ვერ რეალიზდება, ამიტომ მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისთვის, ჩიპზე ფოტოელექტრული გარდაქმნის საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად, LNOI-ზე დაფუძნებულ ფოტონურ ინტეგრირებულ ჩიპებზე საჭიროა InGaAs ან Ge-Si დეტექციის ერთეულების დანერგვა უკუდატვირთვის შედუღების ან ეპიტაქსიალური ზრდის გზით. ოპტიკურ ბოჭკოსთან შეერთების თვალსაზრისით, რადგან თავად ოპტიკურ-ბოჭკოვანი მასალაა SiO2, SiO2 ტალღგამტარის მოდური ველი ყველაზე მეტად შეესაბამება ოპტიკურ-ბოჭკოვანი მოდური ველს და შეერთება ყველაზე მოსახერხებელია. თხელფენოვანი ლითიუმის ნიობატის მკაცრად შეზღუდული ტალღგამტარის მოდური ველის დიამეტრი დაახლოებით 1 მკმ-ია, რაც საკმაოდ განსხვავდება ოპტიკურ-ბოჭკოვანი მოდური ველისგან, ამიტომ ოპტიკურ-ბოჭკოვანი მოდური ველის შესატყვისად უნდა განხორციელდეს რეჟიმის წერტილოვანი ტრანსფორმაციის სათანადო განხორციელება.

ინტეგრაციის თვალსაზრისით, სხვადასხვა მასალის მაღალი ინტეგრაციის პოტენციალი ძირითადად დამოკიდებულია ტალღგამტარის მოხრის რადიუსზე (რაზეც გავლენას ახდენს ტალღგამტარის რეჟიმის ველის შეზღუდვა). ძლიერ შეზღუდული ტალღგამტარის შემთხვევაში, მოხრის რადიუსი უფრო მცირეა, რაც უფრო მეტად უწყობს ხელს მაღალი ინტეგრაციის მიღწევას. ამიტომ, თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის ტალღგამტარებს აქვთ მაღალი ინტეგრაციის მიღწევის პოტენციალი. ამიტომ, თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის გამოჩენა საშუალებას აძლევს ლითიუმ-ნიობატის მასალას რეალურად შეასრულოს ოპტიკური „სილიციუმის“ როლი. მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისთვის, თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის უპირატესობები უფრო აშკარაა.