თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მასალა და თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მოდულატორი

თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის უპირატესობები და მნიშვნელობა ინტეგრირებულ მიკროტალღურ ფოტონურ ტექნოლოგიაში

მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიამას აქვს დიდი სამუშაო გამტარუნარიანობის, ძლიერი პარალელური დამუშავების უნარის და დაბალი გადაცემის დანაკარგების უპირატესობები, რამაც შეიძლება გადალახოს ტრადიციული მიკროტალღური სისტემების ტექნიკური „შეფერხება“ და გააუმჯობესოს სამხედრო ელექტრონული საინფორმაციო აღჭურვილობის, როგორიცაა რადარი, ელექტრონული საბრძოლო მოქმედებები, კომუნიკაცია, გაზომვა და კონტროლი, მუშაობა. თუმცა, დისკრეტულ მოწყობილობებზე დაფუძნებულ მიკროტალღურ ფოტონურ სისტემას აქვს გარკვეული პრობლემები, როგორიცაა დიდი მოცულობა, მძიმე წონა და ცუდი სტაბილურობა, რაც სერიოზულად ზღუდავს მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგიის გამოყენებას კოსმოსურ და საჰაერო პლატფორმებზე. ამიტომ, ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგია მნიშვნელოვან მხარდაჭერად იქცევა სამხედრო ელექტრონულ საინფორმაციო სისტემებში მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგიის გამოყენების შესამცირებლად და მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგიის უპირატესობების სრულად გამოსავლენად.

ამჟამად, SI-ზე დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრაციის ტექნოლოგია და INP-ზე დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრაციის ტექნოლოგია ოპტიკური კომუნიკაციის სფეროში წლების განმავლობაში განვითარების შემდეგ სულ უფრო და უფრო მომწიფდა და ბაზარზე უამრავი პროდუქტი გამოვიდა. თუმცა, მიკროტალღური ფოტონის გამოყენების შემთხვევაში, ამ ორ სახის ფოტონურ ინტეგრაციის ტექნოლოგიას გარკვეული პრობლემები აქვს: მაგალითად, Si მოდულატორის და InP მოდულატორის არაწრფივი ელექტროოპტიკური კოეფიციენტი ეწინააღმდეგება მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგიის მიერ მიღწეულ მაღალ წრფივობას და დიდ დინამიურ მახასიათებლებს; მაგალითად, სილიკონის ოპტიკურ გადამრთველს, რომელიც ახორციელებს ოპტიკურ გზას გადართვას, იქნება ეს თერმულ-ოპტიკურ ეფექტზე, პიეზოელექტრულ ეფექტზე თუ მატარებლის ინექციის დისპერსიის ეფექტზე დაფუძნებულზე, აქვს დაბალი გადართვის სიჩქარის, ენერგომოხმარების და სითბოს მოხმარების პრობლემები, რაც ვერ აკმაყოფილებს სწრაფი სხივის სკანირების და დიდი მასივის მასშტაბის მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებას.

ლითიუმის ნიობატი ყოველთვის იყო პირველი არჩევანი მაღალი სიჩქარისთვის.ელექტრო-ოპტიკური მოდულაციამასალები მისი შესანიშნავი ხაზოვანი ელექტროოპტიკური ეფექტის გამო. თუმცა, ტრადიციული ლითიუმის ნიობატიელექტროოპტიკური მოდულატორიდამზადებულია მასიური ლითიუმ-ნიობატის კრისტალური მასალისგან და მოწყობილობის ზომა ძალიან დიდია, რაც ვერ აკმაყოფილებს ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგიის საჭიროებებს. ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგიის სისტემაში ხაზოვანი ელექტროოპტიკური კოეფიციენტის მქონე ლითიუმ-ნიობატის მასალების ინტეგრირება შესაბამისი მკვლევარების მიზანი გახდა. 2018 წელს, აშშ-ში, ჰარვარდის უნივერსიტეტის კვლევითმა ჯგუფმა პირველად გამოაქვეყნა Nature-ში თხელი ფენის ლითიუმ-ნიობატზე დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრაციის ტექნოლოგია, რადგან ტექნოლოგიას აქვს მაღალი ინტეგრაციის, დიდი ელექტროოპტიკური მოდულაციის გამტარობის და ელექტროოპტიკური ეფექტის მაღალი წრფივობის უპირატესობები, დანერგვისთანავე მან დაუყოვნებლივ მიიპყრო აკადემიური და სამრეწველო ყურადღება ფოტონური ინტეგრაციისა და მიკროტალღური ფოტონიკის სფეროში. მიკროტალღური ფოტონების გამოყენების პერსპექტივიდან, ეს ნაშრომი განიხილავს თხელი ფენის ლითიუმ-ნიობატზე დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრაციის ტექნოლოგიის გავლენასა და მნიშვნელობას მიკროტალღური ფოტონური ტექნოლოგიის განვითარებაზე.

თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მასალა და თხელი ფირილითიუმის ნიობატის მოდულატორი
ბოლო ორი წლის განმავლობაში გაჩნდა ლითიუმ-ნიობატის მასალის ახალი ტიპი, კერძოდ, ლითიუმის ნიობატის ფენა იშლება მასიური ლითიუმის ნიობატის კრისტალიდან „იონური დაჭრის“ მეთოდით და სილიციუმის ბუფერული ფენით უერთდება Si ვაფერს LNOI (LiNbO3-იზოლატორზე) მასალის შესაქმნელად [5], რომელსაც ამ ნაშრომში თხელფენოვანი ლითიუმის ნიობატის მასალა ეწოდება. 100 ნანომეტრზე მეტი სიმაღლის ქედისებრი ტალღგამტარების დამუშავება შესაძლებელია თხელფენოვან ლითიუმის ნიობატის მასალებზე ოპტიმიზებული მშრალი დამუშავების პროცესით და წარმოქმნილი ტალღგამტარების ეფექტური გარდატეხის ინდექსის სხვაობამ შეიძლება მიაღწიოს 0.8-ზე მეტს (გაცილებით მაღალია, ვიდრე ტრადიციული ლითიუმის ნიობატის ტალღგამტარების გარდატეხის ინდექსის სხვაობა 0.02), როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში. ძლიერ შეზღუდული ტალღგამტარი აადვილებს სინათლის ველის მიკროტალღურ ველთან შესაბამისობაში მოყვანას მოდულატორის დიზაინის შექმნისას. ამრიგად, სასარგებლოა უფრო დაბალი ნახევარტალღური ძაბვის და უფრო დიდი მოდულაციის გამტარობის მიღწევა უფრო მოკლე სიგრძეზე.

დაბალი დანაკარგების მქონე ლითიუმ-ნიობატის სუბმიკრონული ტალღგამტარის გამოჩენა წყვეტს ტრადიციული ლითიუმ-ნიობატის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორის მაღალი მამოძრავებელი ძაბვის „შეზღუდულ ყელს“. ელექტროდებს შორის მანძილი შეიძლება შემცირდეს ~ 5 μm-მდე, ხოლო ელექტრულ ველსა და ოპტიკურ რეჟიმის ველს შორის გადაფარვა მნიშვნელოვნად იზრდება, ხოლო vπ·L მცირდება 20 ვ·სმ-ზე მეტიდან 2.8 ვ·სმ-ზე ნაკლებამდე. შესაბამისად, იგივე ნახევარტალღური ძაბვის დროს, მოწყობილობის სიგრძე შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს ტრადიციულ მოდულატორთან შედარებით. ამავდროულად, მოძრავი ტალღური ელექტროდის სიგანის, სისქისა და ინტერვალის პარამეტრების ოპტიმიზაციის შემდეგ, როგორც ეს ნახაზზეა ნაჩვენები, მოდულატორს შეუძლია ჰქონდეს ულტრამაღალი მოდულაციის გამტარობის 100 გჰც-ზე მეტი უნარი.

სურ. 1 (ა) გამოთვლილი მოდების განაწილება და (ბ) LN ტალღგამტარის განივი კვეთის გამოსახულება

სურ. 2 (ა) ტალღის გამტარი და ელექტროდის სტრუქტურა და (ბ) LN მოდულატორის ბირთვის ფირფიტა

თხელი ფირის ლითიუმ-ნიობატის მოდულატორების შედარება ტრადიციულ ლითიუმ-ნიობატის კომერციულ მოდულატორებთან, სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებულ მოდულატორებთან, ინდიუმის ფოსფიდის (InP) მოდულატორებთან და სხვა არსებულ მაღალსიჩქარიან ელექტრო-ოპტიკურ მოდულატორებთან, შედარების ძირითადი პარამეტრებია:
(1) ნახევარტალღური ვოლტ-სიგრძის ნამრავლი (vπ · L, V · სმ), რომელიც ზომავს მოდულატორის მოდულაციის ეფექტურობას, რაც უფრო მცირეა მნიშვნელობა, მით უფრო მაღალია მოდულაციის ეფექტურობა;
(2) 3 დბ მოდულაციის გამტარუნარიანობა (GHz), რომელიც ზომავს მოდულატორის რეაქციას მაღალი სიხშირის მოდულაციაზე;
(3) ოპტიკური ჩასმის დანაკარგი (დბ) მოდულაციის არეში. ცხრილიდან ჩანს, რომ თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის მოდულატორს აშკარა უპირატესობები აქვს მოდულაციის გამტარობის, ნახევარტალღური ძაბვის, ოპტიკური ინტერპოლაციის დანაკარგის და ა.შ. მხრივ.

სილიციუმი, როგორც ინტეგრირებული ოპტოელექტრონიკის ქვაკუთხედი, დღემდე შემუშავებულია, პროცესი მომწიფებულია, მისი მინიატურიზაცია ხელს უწყობს აქტიური/პასიური მოწყობილობების ფართომასშტაბიან ინტეგრაციას, ხოლო მისი მოდულატორი ფართოდ და ღრმად არის შესწავლილი ოპტიკური კომუნიკაციის სფეროში. სილიციუმის ელექტროოპტიკური მოდულაციის მექანიზმი ძირითადად მატარებლის შემცირებას, მატარებლის ინექციას და მატარებლის დაგროვებას წარმოადგენს. მათ შორის, მოდულატორის გამტარობა ოპტიმალურია მატარებლის წრფივი ხარისხის შემცირების მექანიზმით, მაგრამ რადგან ოპტიკური ველის განაწილება ემთხვევა შემცირების რეგიონის არაერთგვაროვნებას, ეს ეფექტი შემოიღებს არაწრფივ მეორე რიგის დამახინჯებას და მესამე რიგის ინტერმოდულაციის დამახინჯებას, მატარებლის შთანთქმის ეფექტთან ერთად სინათლეზე, რაც გამოიწვევს ოპტიკური მოდულაციის ამპლიტუდის და სიგნალის დამახინჯების შემცირებას.

InP მოდულატორს აქვს გამორჩეული ელექტროოპტიკური ეფექტები, ხოლო მრავალშრიანი კვანტური ჭის სტრუქტურას შეუძლია ულტრამაღალი სიჩქარის და დაბალი მამოძრავებელი ძაბვის მოდულატორების შექმნა Vπ·L-ით 0.156 ვოლტ · მმ-მდე. თუმცა, ელექტრული ველის გარდატეხის ინდექსის ვარიაცია მოიცავს წრფივ და არაწრფივ წევრებს, ხოლო ელექტრული ველის ინტენსივობის ზრდა მეორე რიგის ეფექტს გამოკვეთილს გახდის. ამიტომ, სილიციუმის და InP ელექტროოპტიკური მოდულატორებს მუშაობისას სჭირდებათ ძაბვის გამოყენება pn შეერთების შესაქმნელად, ხოლო pn შეერთება შთანთქმის დანაკარგს სინათლეზე გადაიტანს. თუმცა, ამ ორის მოდულატორის ზომა მცირეა, კომერციული InP მოდულატორის ზომა LN მოდულატორის 1/4-ია. მაღალი მოდულაციის ეფექტურობა, შესაფერისია მაღალი სიმკვრივის და მოკლე დისტანციის ციფრული ოპტიკური გადაცემის ქსელებისთვის, როგორიცაა მონაცემთა ცენტრები. ლითიუმის ნიობატის ელექტროოპტიკურ ეფექტს არ აქვს სინათლის შთანთქმის მექანიზმი და დაბალი დანაკარგები, რაც შესაფერისია დიდ დისტანციაზე კოჰერენტული გადაცემისთვის.ოპტიკური კომუნიკაციადიდი ტევადობითა და მაღალი სიჩქარით. მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისას, Si-სა და InP-ს ელექტროოპტიკური კოეფიციენტები არაწრფივია, რაც არ არის შესაფერისი მიკროტალღური ფოტონური სისტემისთვის, რომელიც მაღალი წრფივობისა და დიდი დინამიკისკენ მიისწრაფვის. ლითიუმის ნიობატის მასალა ძალიან შესაფერისია მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებისთვის მისი სრულიად წრფივი ელექტროოპტიკური მოდულაციის კოეფიციენტის გამო.