უმაღლესი ინტეგრირებული თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორი

მაღალი წრფივობაელექტრო ოპტიკური მოდულატორიდა მიკროტალღური ფოტონის გამოყენება
საკომუნიკაციო სისტემების მზარდი მოთხოვნების გამო, სიგნალების გადაცემის ეფექტურობის შემდგომი გაუმჯობესების მიზნით, ადამიანები შეაერთებენ ფოტონებსა და ელექტრონებს დამატებითი უპირატესობების მისაღწევად, და დაიბადება მიკროტალღური ფოტონიკა. ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორი საჭიროა ელექტროენერგიის სინათლეზე გადასაყვანადმიკროტალღური ფოტონიკური სისტემებიდა ეს საკვანძო ნაბიჯი ჩვეულებრივ განსაზღვრავს მთელი სისტემის მუშაობას. ვინაიდან რადიოსიხშირული სიგნალის ოპტიკურ დომენად გადაქცევა არის ანალოგური სიგნალის პროცესი და ჩვეულებრივიელექტრო ოპტიკური მოდულატორებიაქვს თანდაყოლილი არაწრფივიობა, არის სერიოზული სიგნალის დამახინჯება კონვერტაციის პროცესში. მიახლოებითი წრფივი მოდულაციის მისაღწევად, მოდულატორის ოპერაციული წერტილი ჩვეულებრივ ფიქსირდება ორთოგონალურ მიკერძოებულ წერტილში, მაგრამ ის მაინც ვერ აკმაყოფილებს მოდულატორის წრფივობისთვის მიკროტალღური ფოტონის ბმულის მოთხოვნებს. სასწრაფოდ საჭიროა მაღალი წრფივი ელექტროოპტიკური მოდულატორები.

სილიკონის მასალების მაღალი სიჩქარის გარდატეხის ინდექსის მოდულაცია ჩვეულებრივ მიიღწევა თავისუფალი გადამზიდავი პლაზმის დისპერსიის (FCD) ეფექტით. ორივე FCD ეფექტი და PN შეერთების მოდულაცია არაწრფივია, რაც სილიციუმის მოდულატორს ნაკლებად ხაზოვანს ხდის, ვიდრე ლითიუმის ნიობატის მოდულატორი. ლითიუმის ნიობატის მასალები შესანიშნავად ვლინდებაელექტრო ოპტიკური მოდულაციათვისებები მათი Pucker ეფექტის გამო. ამავდროულად, ლითიუმის ნიობატის მასალას აქვს დიდი გამტარუნარიანობის, კარგი მოდულაციის მახასიათებლების, დაბალი დანაკარგის, მარტივი ინტეგრაციისა და თავსებადობა ნახევარგამტარულ პროცესთან, ლითიუმის ნიობატის თხელი ფირის გამოყენება სილიკონთან შედარებით მაღალი ხარისხის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორის შესაქმნელად. თითქმის არ არის "მოკლე ფირფიტა", არამედ მაღალი წრფივობის მისაღწევად. თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის (LNOI) ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორი იზოლატორზე გახდა განვითარების პერსპექტიული მიმართულება. თხელი ფირის ლითიუმ ნიობატის მასალის მომზადების ტექნოლოგიისა და ტალღის გაყვანის ტექნოლოგიის განვითარებით, თხელი ფირის ლითიუმ ნიობატის ელექტროოპტიკური მოდულატორის მაღალი კონვერტაციის ეფექტურობა და უფრო მაღალი ინტეგრაცია გახდა საერთაშორისო აკადემიისა და ინდუსტრიის სფერო.

თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მახასიათებლები
შეერთებულ შტატებში DAP AR-ის დაგეგმვამ მოახდინა ლითიუმის ნიობატის მასალების შემდეგი შეფასება: თუ ელექტრონული რევოლუციის ცენტრს სილიკონის მასალის სახელი დაარქვეს, რაც შესაძლებელს ხდის, მაშინ ფოტონიკის რევოლუციის სამშობლო სავარაუდოდ ლითიუმის ნიობატის სახელს ატარებს. . ეს იმიტომ ხდება, რომ ლითიუმის ნიობატი აერთიანებს ელექტრო-ოპტიკურ ეფექტს, აკუსტო-ოპტიკურ ეფექტს, პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, თერმოელექტრიკულ ეფექტს და ფოტორეფრაქციულ ეფექტს, ისევე როგორც სილიკონის მასალებს ოპტიკის სფეროში.

ოპტიკური გადაცემის მახასიათებლების თვალსაზრისით, InP მასალას აქვს ყველაზე დიდი ჩიპზე გადაცემის დანაკარგი სინათლის შთანთქმის გამო ჩვეულებრივ გამოყენებულ 1550 ნმ დიაპაზონში. SiO2-ს და სილიციუმის ნიტრიდს აქვთ გადაცემის საუკეთესო მახასიათებლები და დანაკარგმა შეიძლება მიაღწიოს ~ 0.01dB/cm დონეს; დღეისათვის, თხელი შრის ლითიუმის ნიობატის ტალღოვანი ტალღის დანაკარგმა შეიძლება მიაღწიოს 0,03 დბ/სმ დონეს, ხოლო თხელი გარსით ლითიუმის ნიობატის ტალღოვანი ტალღის დანაკარგი კიდევ უფრო შემცირდება ტექნოლოგიური დონის მუდმივი გაუმჯობესებით. მომავალი. ამიტომ, თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მასალა აჩვენებს კარგ შესრულებას პასიური სინათლის სტრუქტურებისთვის, როგორიცაა ფოტოსინთეზური გზა, შუნტი და მიკრორგოლი.

სინათლის წარმოქმნის მხრივ, მხოლოდ InP-ს აქვს პირდაპირი შუქის გამოსხივების უნარი; ამიტომ, მიკროტალღური ფოტონების გამოსაყენებლად, საჭიროა შემოიტანოთ InP-ზე დაფუძნებული სინათლის წყარო LNOI-ზე დაფუძნებულ ფოტონიკურ ინტეგრირებულ ჩიპზე, შედუღების ან ეპიტაქსიალური ზრდის გზით. სინათლის მოდულაციის თვალსაზრისით, ზემოთ აღინიშნა, რომ თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მასალა უფრო ადვილია უფრო დიდი მოდულაციის გამტარუნარიანობის მიღწევა, ქვედა ნახევარტალღური ძაბვა და დაბალი გადაცემის დანაკარგი, ვიდრე InP და Si. გარდა ამისა, თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მასალების ელექტრო-ოპტიკური მოდულაციის მაღალი წრფივობა აუცილებელია ყველა მიკროტალღური ფოტონის გამოყენებისთვის.

ოპტიკური მარშრუტიზაციის თვალსაზრისით, თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მასალის მაღალი სიჩქარის ელექტრო-ოპტიკური პასუხი ხდის LNOI-ზე დაფუძნებულ ოპტიკურ გადამრთველს, რომელსაც შეუძლია მაღალსიჩქარიანი ოპტიკური მარშრუტიზაციის გადართვა და ასეთი მაღალსიჩქარიანი გადართვის ენერგიის მოხმარება ასევე ძალიან დაბალია. ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის ტიპიური გამოყენებისთვის, ოპტიკურად კონტროლირებად სხივის ფორმირების ჩიპს აქვს მაღალი სიჩქარით გადართვის უნარი, დააკმაყოფილოს სწრაფი სხივის სკანირების საჭიროებები და ულტრა დაბალი ენერგიის მოხმარების მახასიათებლები კარგად არის ადაპტირებული დიდი ზომის მკაცრ მოთხოვნებთან. - მასშტაბური ეტაპობრივი მასივის სისტემა. მიუხედავად იმისა, რომ InP-ზე დაფუძნებულ ოპტიკურ გადამრთველს ასევე შეუძლია განახორციელოს მაღალი სიჩქარით ოპტიკური ბილიკის გადართვა, ის გამოიწვევს დიდ ხმაურს, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც მრავალდონიანი ოპტიკური გადამრთველი კასკადურია, ხმაურის კოეფიციენტი სერიოზულად გაუარესდება. სილიციუმის, SiO2 და სილიციუმის ნიტრიდის მასალებს შეუძლიათ ოპტიკური გზების გადართვა მხოლოდ თერმოოპტიკური ეფექტის ან გადამზიდავი დისპერსიის ეფექტის მეშვეობით, რომელსაც აქვს ენერგიის მაღალი მოხმარება და ნელი გადართვის სიჩქარის უარყოფითი მხარე. როდესაც ფაზური მასივის მასივის ზომა დიდია, ის ვერ აკმაყოფილებს ენერგიის მოხმარების მოთხოვნებს.

ოპტიკური გაძლიერების თვალსაზრისით,ნახევარგამტარული ოპტიკური გამაძლიერებელი (SOA) InP-ზე დაფუძნებული უკვე მომწიფებულია კომერციული გამოყენებისთვის, მაგრამ მას აქვს მაღალი ხმაურის კოეფიციენტი და დაბალი გაჯერების გამომავალი სიმძლავრე, რაც ხელს არ უწყობს მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებას. პერიოდულ აქტივაციასა და ინვერსიაზე დაფუძნებული თხელფილიანი ლითიუმის ნიობატის ტალღის პარამეტრული გამაძლიერებელი პროცესი შეიძლება მიაღწიოს დაბალი ხმაურის და მაღალი სიმძლავრის ჩიპზე ოპტიკურ გაძლიერებას, რომელიც კარგად აკმაყოფილებს მიკროტალღური ფოტონის ინტეგრირებული ტექნოლოგიის მოთხოვნებს ჩიპზე ოპტიკური გამაძლიერებლისთვის.

სინათლის გამოვლენის თვალსაზრისით, თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატს აქვს კარგი გადაცემის მახასიათებლები შუქზე 1550 ნმ დიაპაზონში. ფოტოელექტრული კონვერტაციის ფუნქციის რეალიზება შეუძლებელია, ამიტომ მიკროტალღური ფოტონის გამოყენებისთვის, ჩიპზე ფოტოელექტრული გარდაქმნის საჭიროებების დასაკმაყოფილებლად. InGaAs ან Ge-Si აღმოჩენის ერთეულები უნდა დაინერგოს LNOI-ზე დაფუძნებულ ფოტონიკურ ინტეგრირებულ ჩიპებზე, შედუღების ან ეპიტაქსიალური ზრდის გზით. ოპტიკურ ბოჭკოსთან შეერთების თვალსაზრისით, რადგან ოპტიკური ბოჭკო თავად არის SiO2 მასალა, SiO2 ტალღის გამტარის რეჟიმის ველს აქვს ყველაზე მაღალი შესატყვისი ხარისხი ოპტიკური ბოჭკოების რეჟიმის ველთან და დაწყვილება ყველაზე მოსახერხებელია. თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მკაცრად შეზღუდული ტალღის ველის დიამეტრი არის დაახლოებით 1 μm, რაც საკმაოდ განსხვავდება ოპტიკური ბოჭკოების რეჟიმის ველისგან, ამიტომ უნდა განხორციელდეს შესაბამისი რეჟიმის ლაქების ტრანსფორმაცია, რათა შეესაბამებოდეს ოპტიკური ბოჭკოს რეჟიმის ველს.

ინტეგრაციის კუთხით, აქვს თუ არა სხვადასხვა მასალებს ინტეგრაციის მაღალი პოტენციალი, ძირითადად, დამოკიდებულია ტალღის გამავრცელებლის ღუნვის რადიუსზე (გავლენას ახდენს ტალღისებური რეჟიმის ველის შეზღუდვა). ძლიერად შეზღუდული ტალღის გამტარი საშუალებას იძლევა უფრო მცირე მოხრის რადიუსი, რაც უფრო ხელსაყრელია მაღალი ინტეგრაციის რეალიზაციისთვის. აქედან გამომდინარე, თხელი ფენით ლითიუმის ნიობატის ტალღის გამტარებს აქვთ მაღალი ინტეგრაციის მიღწევის პოტენციალი. ამიტომ, თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის გამოჩენა შესაძლებელს ხდის ლითიუმ ნიობატის მასალას რეალურად შეასრულოს ოპტიკური „სილიკონის“ როლი. მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისთვის, თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის უპირატესობები უფრო აშკარაა.