თხელი ფილმი ლითიუმის ნიობატის მასალა და თხელი ფილმი ლითიუმის ნიობატის მოდულატორი

თხელი ფილმის ლითიუმ ნიობატის უპირატესობები და მნიშვნელობა ინტეგრირებულ მიკროტალღურ ფოტონის ტექნოლოგიაში

მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიააქვს დიდი სამუშაო გამტარუნარიანობის უპირატესობები, ძლიერი პარალელური დამუშავების უნარი და გადაცემის დაბალი დაკარგვა, რომელსაც აქვს შესაძლებლობა დაარღვიოს ტრადიციული მიკროტალღური სისტემის ტექნიკური შეფერხება და გააუმჯობესოს სამხედრო ელექტრონული ინფორმაციული აღჭურვილობის შესრულება, როგორიცაა რადარი, ელექტრონული ომი, კომუნიკაცია და გაზომვა და კონტროლი. ამასთან, მიკროტალღური ფოტონის სისტემას, რომელიც დაფუძნებულია დისკრეტულ მოწყობილობებზე, აქვს პრობლემები, როგორიცაა დიდი მოცულობა, მძიმე წონა და ცუდი სტაბილურობა, რაც სერიოზულად ზღუდავს მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის გამოყენებას კოსმოსურ და საჰაერო ხომალდის პლატფორმებში. ამრიგად, ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგია ხდება მნიშვნელოვანი მხარდაჭერა, რომ დაარღვიოს მიკროტალღური ფოტონის გამოყენება სამხედრო ელექტრონულ საინფორმაციო სისტემაში და სრულად ითამაშოს მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის უპირატესობებზე.

ამჟამად, Si- ზე დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრაციის ტექნოლოგია და INP- ზე დაფუძნებული ფოტონური ინტეგრაციის ტექნოლოგია უფრო და უფრო მომწიფდა ოპტიკური კომუნიკაციის სფეროში წლების განვითარების შემდეგ, და უამრავი პროდუქტი შეიყვანეს ბაზარზე. ამასთან, მიკროტალღური ფოტონის გამოყენებისთვის, ამ ორი სახის ფოტონის ინტეგრაციის ტექნოლოგიების ამ ორი სახის პრობლემა არსებობს: მაგალითად, SI მოდულატორის და INP მოდულატორის არაწრფივი ელექტრო ოპტიკური კოეფიციენტი ეწინააღმდეგება მიკროტალღოვანი ფოტონის ტექნოლოგიის მაღალი ხაზოვანი და დიდი დინამიური მახასიათებლების შესახებ; მაგალითად, სილიკონის ოპტიკური შეცვლა, რომელიც აცნობიერებს ოპტიკური ბილიკის გადართვას, იქნება ეს თერმული ოპტიკური ეფექტის, პიეზოელექტრული ეფექტის ან გადამზიდავი ინექციის დისპერსიული ეფექტის საფუძველზე, აქვს ნელი გადართვის სიჩქარის, ენერგიის მოხმარების და სითბოს მოხმარების პრობლემები, რომლებიც ვერ აკმაყოფილებენ სწრაფი სხივის სკანირებას და დიდი მასივის მასშტაბის მიკროტალღური ფოტონის პროგრამებს.

ლითიუმ ნიობატი ყოველთვის იყო პირველი არჩევანი მაღალი სიჩქარითელექტრო ოპტიკური მოდულაციამასალები მისი შესანიშნავი ხაზოვანი ელექტრო-ოპტიკური ეფექტის გამო. თუმცა, ტრადიციული ლითიუმის ნიობატიელექტრო ოპტიკური მოდულატორიდამზადებულია მასიური ლითიუმის ნიობატის კრისტალური მასალისაგან, ხოლო მოწყობილობის ზომა ძალიან დიდია, რომელიც ვერ აკმაყოფილებს ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის საჭიროებებს. როგორ ინტეგრირდეს ლითიუმის ნიობატის მასალები ხაზოვანი ელექტრო ოპტიკური კოეფიციენტით ინტეგრირებულ მიკროტალღურ ფოტონის ტექნოლოგიურ სისტემაში, გახდა შესაბამისი მკვლევარების მიზანი. In 2018, a research team from Harvard University in the United States first reported the photonic integration technology based on thin film lithium niobate in Nature, because the technology has the advantages of high integration, large electro-optical modulation bandwidth, and high linearity of electro-optical effect, once launched, it immediately caused the academic and industrial attention in the field of photonic integration and microwave photonics. მიკროტალღური ფოტონის აპლიკაციის თვალსაზრისით, ეს ნაშრომი მიმოიხილავს ფოტონის ინტეგრაციის ტექნოლოგიის გავლენას და მნიშვნელობას, რომელიც დაფუძნებულია თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატზე, მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის განვითარებაზე.

თხელი ფილმი ლითიუმის ნიობატის მასალა და თხელი ფილმილითიუმის ნიობატის მოდულატორი
ბოლო ორი წლის განმავლობაში, გაჩნდა ახალი ტიპის ლითიუმის ნიობატის მასალა, ანუ ლითიუმის ნიობატის ფილმი ამოღებულია მასიური ლითიუმის ნიობატის კრისტალიდან "იონური დაჭრის" მეთოდით და მიერთებულია Si wafer- სთან, რომელსაც აქვს ამ ფურცლებში Lnoi (Linbo3-on- ინსულატორი) მასალა [5] ქედის ტალღები, რომელთა სიმაღლეა 100 -ზე მეტი ნანომეტრით, შეიძლება დაფიქსირდეს თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მასალებზე ოპტიმიზირებული მშრალი ხუჭუჭის პროცესით, ხოლო წარმოქმნილი ტალღების ზომების ეფექტური რეფრაქციული ინდექსის სხვაობა შეიძლება მიაღწიოს 0.8 -ს (ბევრად უფრო მაღალია, ვიდრე რეფრაქციული ინდექსის განსხვავება ტრადიციული ლითიუმის ნიობატური ტალღისგან, როგორც ეს ნაჩვენებია ფიგურაში 1. ველი მიკროტალღური ველის საშუალებით მოდულატორის დიზაინის დროს. ამრიგად, სასარგებლოა დაბალი ტალღის ძაბვის და უფრო დიდი მოდულაციის სიჩქარის მისაღწევად უფრო მოკლე სიგრძით.

დაბალი ზარალის ლითიუმის ნიობატის სუბმიკრონის ტალღების გამოჩენა არღვევს ტრადიციული ლითიუმის ნიობატის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორის მაღალი მამოძრავებელი ძაბვის უღიმღამოდ. ელექტროდების ინტერვალი შეიძლება შემცირდეს ~ 5 μm– მდე, ხოლო ელექტრული ველსა და ოპტიკურ რეჟიმის ველს შორის გადახურვა მნიშვნელოვნად გაიზარდა, ხოლო Vπ · L მცირდება 20 - ზე მეტით · სმ -დან 2.8 V · სმ -მდე. ამიტომ, იმავე ნახევრად ტალღის ძაბვის პირობებში, მოწყობილობის სიგრძე შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს ტრადიციულ მოდულატორთან შედარებით. ამავდროულად, მოგზაურობის ტალღის ელექტროდის სიგანის, სისქისა და ინტერვალის პარამეტრების ოპტიმიზაციის შემდეგ, როგორც ეს მოცემულია ფიგურაში, მოდულატორს შეიძლება ჰქონდეს ულტრა მაღალი მოდულაციის სიჩქარის უნარი 100 გჰც-ზე მეტი.

ნახ .1 （A） გამოთვლილი რეჟიმის განაწილება და （B） LN ტალღის ჯვრის მონაკვეთის სურათი

ნახ.

თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მოდულატორების შედარება ტრადიციული ლითიუმის ნიობატის კომერციული მოდულატორებით, სილიკონზე დაფუძნებული მოდულატორებით და ინდიუმის ფოსფიდური (INP) მოდულატორებით და სხვა არსებული მაღალი სიჩქარით ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორებით, შედარების ძირითადი პარამეტრები მოიცავს:
(1) ნახევარ ტალღის ვოლტ სიგრძის პროდუქტი (Vπ · L, V · სმ), მოდულატორის მოდულაციის ეფექტურობის გაზომვა, მით უფრო მცირე მნიშვნელობა, მით უფრო მაღალია მოდულაციის ეფექტურობა;
(2) 3 DB მოდულაციის სიჩქარეს (GHZ), რომელიც ზომავს მოდულატორის პასუხს მაღალი სიხშირის მოდულაციაზე;
(3) ოპტიკური ჩასმის დაკარგვა (DB) მოდულაციის რეგიონში. ცხრილიდან ჩანს, რომ თხელი ფილმის ლითიუმის ნიობატის მოდულატორს აშკარა უპირატესობა აქვს მოდულაციის სიჩქარესთან, ნახევრად ტალღის ძაბვაში, ოპტიკური ინტერპოლაციის დაკარგვაში და ა.შ.

სილიკონი, როგორც ინტეგრირებული ოპტოელექტრონიკის ქვაკუთხედი, ჯერჯერობით შემუშავებულია, პროცესი მომწიფებულია, მისი მინიატურულიზაცია ხელს უწყობს აქტიური/პასიური მოწყობილობების ფართომასშტაბიანი ინტეგრაციას, ხოლო მისი მოდულატორი ფართოდ და ღრმად არის შესწავლილი ოპტიკური კომუნიკაციის სფეროში. სილიკონის ელექტრო ოპტიკური მოდულაციის მექანიზმი ძირითადად არის გადამზიდავი განადგურება, გადამზიდავი ინექცია და გადამზიდავების დაგროვება. მათ შორის, მოდულატორის გამტარობა ოპტიმალურია ხაზოვანი ხარისხის გადამზიდავი დაქვეითების მექანიზმთან, მაგრამ იმის გამო, რომ ოპტიკური ველის განაწილება გადაფარავს დაქვეითების რეგიონის არა-ერთიანობასთან, ეს ეფექტი შემოიღებს არაწრფივი მეორე რიგის დამახინჯებას და მესამე რიგის ინტერმოდულაციის დამახინჯებულ ტერმინებს, რომლებიც თან ახლავს შრომის მაჩვენებელს, რომელიც გამოირჩევა შრომის მაჩვენებლით, რომელიც მიიღებს შრომის მაჩვენებელს.

INP მოდულატორს აქვს გამორჩეული ელექტრო ოპტიკური ეფექტები, ხოლო მრავალ ფენის კვანტური ჭაბურღილის სტრუქტურას შეუძლია გააცნობიეროს ულტრა მაღალი სიჩქარე და დაბალი მამოძრავებელი ძაბვის მოდულატორები Vπ · L– ით 0.156V · მმ-მდე. ამასთან, რეფრაქციული ინდექსის ცვალებადობა ელექტრო ველს მოიცავს ხაზოვანი და არაწრფივი ტერმინებით, ხოლო ელექტრული ველის ინტენსივობის გაზრდა მეორე რიგის ეფექტს გახდის. ამრიგად, სილიკონის და INP ელექტრო-ოპტიკურ მოდულატორებს უნდა მიმართონ მიკერძოებულობას, რომ შექმნან PN კავშირი, როდესაც ისინი მუშაობენ, ხოლო PN– ის კავშირი მოუტანს შთანთქმის დანაკარგს. ამასთან, ამ ორი ადამიანის მოდულატორის ზომა მცირეა, კომერციული INP მოდულატორის ზომა არის LN მოდულატორის 1/4. მაღალი მოდულაციის ეფექტურობა, შესაფერისი მაღალი სიმკვრივისა და მოკლე მანძილის ციფრული ოპტიკური გადამცემი ქსელებისათვის, როგორიცაა მონაცემთა ცენტრები. ლითიუმის ნიობატის ელექტრო ოპტიკურ ეფექტს არ აქვს მსუბუქი შთანთქმის მექანიზმი და დაბალი დანაკარგი, რაც შესაფერისია საქალაქთაშორისო თანმიმდევრულობისთვისოპტიკური კომუნიკაციადიდი სიმძლავრით და მაღალი სიჩქარით. მიკროტალღური ფოტონის პროგრამაში, Si და INP- ის ელექტრო ოპტიკური კოეფიციენტები არაწრფივი არიან, რაც არ არის შესაფერისი მიკროტალღური ფოტონის სისტემისთვის, რომელიც აგრძელებს მაღალ ხაზს და დიდ დინამიკას. ლითიუმის ნიობატის მასალა ძალიან შესაფერისია მიკროტალღური ფოტონის გამოყენებისთვის, მისი სრულიად ხაზოვანი ელექტრო-ოპტიკური მოდულაციის კოეფიციენტის გამო.