თხელი ფირის ლითიუმ ნიობატის მასალა და თხელი ფირის ლითიუმ ნიობატის მოდულატორი

თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის უპირატესობები და მნიშვნელობა ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიაში

მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიააქვს დიდი სამუშაო გამტარუნარიანობის, ძლიერი პარალელური დამუშავების უნარი და დაბალი გადაცემის დანაკარგი, რომელსაც აქვს პოტენციალი დაარღვიოს ტრადიციული მიკროტალღური სისტემის ტექნიკური ბარიერი და გააუმჯობესოს სამხედრო ელექტრონული საინფორმაციო აღჭურვილობის მუშაობა, როგორიცაა რადარი, ელექტრონული ომი, კომუნიკაცია და გაზომვა და კონტროლი. თუმცა, დისკრეტულ მოწყობილობებზე დაფუძნებულ მიკროტალღურ ფოტონულ სისტემას აქვს გარკვეული პრობლემები, როგორიცაა დიდი მოცულობა, მძიმე წონა და ცუდი სტაბილურობა, რაც სერიოზულად ზღუდავს მიკროტალღური ფოტონების ტექნოლოგიის გამოყენებას კოსმოსურ და საჰაერო ხომალდებში. ამიტომ, ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგია ხდება მნიშვნელოვანი მხარდაჭერა, რათა დაარღვიოს მიკროტალღური ფოტონის გამოყენება სამხედრო ელექტრონულ საინფორმაციო სისტემაში და სრულად მიეცეს მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის უპირატესობებს.

ამჟამად, SI-ზე დაფუძნებული ფოტონიკური ინტეგრაციის ტექნოლოგია და INP-ზე დაფუძნებული ფოტონიკური ინტეგრაციის ტექნოლოგია სულ უფრო და უფრო მომწიფებულია ოპტიკური კომუნიკაციის სფეროში წლების განვითარების შემდეგ და ბევრი პროდუქტი იქნა გამოტანილი ბაზარზე. თუმცა, მიკროტალღური ფოტონის გამოყენებისას, არსებობს გარკვეული პრობლემები ამ ორი ტიპის ფოტონის ინტეგრაციის ტექნოლოგიებში: მაგალითად, Si მოდულატორისა და InP მოდულატორის არაწრფივი ელექტროოპტიკური კოეფიციენტი ეწინააღმდეგება მიკროტალღურ ღუმელში მიღებულ მაღალ ხაზოვან და დიდ დინამიურ მახასიათებლებს. ფოტონის ტექნოლოგია; მაგალითად, სილიკონის ოპტიკურ გადამრთველს, რომელიც ახორციელებს ოპტიკური ბილიკის გადართვას, იქნება ეს თერმულ-ოპტიკური ეფექტის, პიეზოელექტრული ეფექტის ან გადამზიდის ინექციის დისპერსიული ეფექტის საფუძველზე, აქვს გადართვის ნელი სიჩქარის, ენერგიის მოხმარების და სითბოს მოხმარების პრობლემები, რაც ვერ აკმაყოფილებს სწრაფს. სხივური სკანირება და დიდი მასივის მიკროტალღური ფოტონების აპლიკაციები.

ლითიუმის ნიობატი ყოველთვის იყო პირველი არჩევანი მაღალი სიჩქარისთვისელექტროოპტიკური მოდულაციამასალები მისი შესანიშნავი ხაზოვანი ელექტროოპტიკური ეფექტის გამო. თუმცა, ტრადიციული ლითიუმის ნიობატიელექტრო ოპტიკური მოდულატორიდამზადებულია მასიური ლითიუმის ნიობატის კრისტალური მასალისგან და მოწყობილობის ზომა ძალიან დიდია, რაც ვერ აკმაყოფილებს ინტეგრირებული მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის საჭიროებებს. როგორ მოხდეს ლითიუმის ნიობატის მასალების ხაზოვანი ელექტროოპტიკური კოეფიციენტის ინტეგრირება მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის ინტეგრირებულ სისტემაში, შესაბამისი მკვლევარების მიზანი გახდა. 2018 წელს, ჰარვარდის უნივერსიტეტის მკვლევარმა ჯგუფმა შეერთებულ შტატებში პირველად გამოაცხადა ფოტონიკური ინტეგრაციის ტექნოლოგია, რომელიც დაფუძნებულია თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატზე ბუნებაში, რადგან ტექნოლოგიას აქვს მაღალი ინტეგრაციის, დიდი ელექტრო-ოპტიკური მოდულაციის გამტარუნარიანობის და ელექტრო ხაზოვანობის მაღალი უპირატესობები. - ოპტიკური ეფექტი, გაშვების შემდეგ, მან მაშინვე გამოიწვია აკადემიური და ინდუსტრიული ყურადღება ფოტონური ინტეგრაციისა და მიკროტალღური ფოტონიკის სფეროში. მიკროტალღური ფოტონის გამოყენების პერსპექტივიდან, ეს ნაშრომი მიმოიხილავს ფოტონის ინტეგრაციის ტექნოლოგიის გავლენას და მნიშვნელობას, რომელიც დაფუძნებულია თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატზე, მიკროტალღური ფოტონის ტექნოლოგიის განვითარებაზე.

თხელი ფირის ლითიუმ ნიობატის მასალა და თხელი ფილმილითიუმის ნიობატის მოდულატორი
ბოლო ორი წლის განმავლობაში გაჩნდა ლითიუმის ნიობატის მასალის ახალი ტიპი, ანუ ლითიუმის ნიობატის ფირი იხსნება მასიური ლითიუმის ნიობატის კრისტალიდან „იონის დაჭრის“ მეთოდით და მიმაგრებულია Si ვაფლთან სილიციუმის ბუფერული ფენით. შექმნას LNOI (LiNbO3-On-Insulator) მასალა [5], რომელსაც ამ ნაშრომში ეწოდება თხელი ფირის ლითიუმ ნიობატის მასალა. 100 ნანომეტრზე მეტი სიმაღლის ქედის ტალღები შეიძლება დაფიქსირდეს თხელი ფენით ლითიუმის ნიობატის მასალებზე ოპტიმიზირებული მშრალი ამოღების პროცესით და წარმოქმნილი ტალღების ეფექტური გარდატეხის ინდექსის სხვაობამ შეიძლება მიაღწიოს 0,8-ზე მეტს (ტრადიციულ რეფრაქციულ ინდექსის სხვაობაზე ბევრად მაღალია. ლითიუმის ნიობატის ტალღების გამტარი 0.02), როგორც ნაჩვენებია სურათზე 1. მკაცრად შეზღუდული ტალღის გამტარი აადვილებს სინათლის ველის მიკროტალღურ ველთან შესაბამისობას მოდულატორის დიზაინის დროს. ამრიგად, მომგებიანია ქვედა ნახევარტალღოვანი ძაბვის და უფრო დიდი მოდულაციის გამტარუნარიანობის მიღწევა უფრო მოკლე სიგრძეზე.

დაბალი დანაკარგის ლითიუმის ნიობატის სუბმიკრონული ტალღების გარეგნობა არღვევს ტრადიციული ლითიუმის ნიობატის ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორის მაღალი მამოძრავებელი ძაბვის ბოთლს. ელექტროდების მანძილი შეიძლება შემცირდეს ~ 5 μm-მდე, ხოლო ელექტრულ ველსა და ოპტიკურ რეჟიმის ველს შორის გადახურვა მნიშვნელოვნად იზრდება და vπ ·L მცირდება 20 V·cm-დან 2,8 V·cm-ზე ნაკლებამდე. ამიტომ, იგივე ნახევრად ტალღის ძაბვის პირობებში, მოწყობილობის სიგრძე შეიძლება მნიშვნელოვნად შემცირდეს ტრადიციულ მოდულატორთან შედარებით. ამავდროულად, მოძრავი ტალღის ელექტროდის სიგანის, სისქის და ინტერვალის პარამეტრების ოპტიმიზაციის შემდეგ, როგორც ნაჩვენებია ფიგურაში, მოდულატორს შეიძლება ჰქონდეს ულტრა მაღალი მოდულაციის გამტარუნარიანობა 100 გჰც-ზე მეტი.

ნახ.1 (ა) გამოთვლილი რეჟიმის განაწილება და (b) LN ტალღის კვეთის გამოსახულება

ნახ.2 (ა) ტალღოვანი და ელექტროდის სტრუქტურა და (ბ) LN მოდულატორის კორელაცია

თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მოდულატორების შედარება ტრადიციულ ლითიუმ ნიობატის კომერციულ მოდულატორებთან, სილიკონზე დაფუძნებულ მოდულატორებთან და ინდიუმის ფოსფიდის (InP) მოდულატორებთან და სხვა არსებულ მაღალსიჩქარიან ელექტრო-ოპტიკურ მოდულატორებთან, შედარების ძირითადი პარამეტრები მოიცავს:
(1) ნახევარტალღოვანი ვოლტის სიგრძის პროდუქტი (vπ ·L, V·cm), რომელიც გაზომავს მოდულატორის მოდულაციის ეფექტურობას, რაც უფრო მცირეა მნიშვნელობა, მით უფრო მაღალია მოდულაციის ეფექტურობა;
(2) 3 dB მოდულაციის გამტარუნარიანობა (GHz), რომელიც ზომავს მოდულატორის რეაქციას მაღალი სიხშირის მოდულაციაზე;
(3) ოპტიკური ჩასმის დაკარგვა (dB) მოდულაციის რეგიონში. ცხრილიდან ჩანს, რომ თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის მოდულატორს აქვს აშკარა უპირატესობები მოდულაციის გამტარუნარიანობაში, ნახევრად ტალღის ძაბვაში, ოპტიკური ინტერპოლაციის დაკარგვაში და ა.შ.

სილიკონი, როგორც ინტეგრირებული ოპტოელექტრონიკის ქვაკუთხედი, ჯერჯერობით შემუშავებულია, პროცესი მომწიფებულია, მისი მინიატურიზაცია ხელს უწყობს აქტიური/პასიური მოწყობილობების ფართომასშტაბიან ინტეგრაციას და მისი მოდულატორი ფართოდ და ღრმად არის შესწავლილი ოპტიკური სფეროში. კომუნიკაცია. სილიციუმის ელექტრო-ოპტიკური მოდულაციის მექანიზმი ძირითადად არის გადამზიდის ამოწურვა, გადამზიდის ინექცია და გადამზიდის დაგროვება. მათ შორის, მოდულატორის გამტარუნარიანობა ოპტიმალურია წრფივი ხარისხის მატარებლის ამოწურვის მექანიზმით, მაგრამ იმის გამო, რომ ოპტიკური ველის განაწილება ემთხვევა ამოწურვის რეგიონის არაერთგვაროვნებას, ეს ეფექტი გამოიწვევს არაწრფივ მეორე რიგის დამახინჯებას და მესამე რიგის ინტერმოდულაციის დამახინჯებას. ტერმინები, შუქზე მატარებლის შთანთქმის ეფექტთან ერთად, რაც გამოიწვევს ოპტიკური მოდულაციის ამპლიტუდის შემცირებას და სიგნალის დამახინჯებას.

InP მოდულატორს აქვს გამორჩეული ელექტრო-ოპტიკური ეფექტები და მრავალშრიანი კვანტური ჭაბურღილის სტრუქტურას შეუძლია გააცნობიეროს ულტრა მაღალი სიჩქარის და დაბალი მამოძრავებელი ძაბვის მოდულატორები Vπ·L 0,156V · მმ-მდე. თუმცა, გარდატეხის ინდექსის ცვალებადობა ელექტრულ ველთან მოიცავს წრფივ და არაწრფივ ტერმინებს, ხოლო ელექტრული ველის ინტენსივობის გაზრდა მეორე რიგის ეფექტს გამორჩეულს გახდის. ამიტომ, სილიკონის და InP ელექტრო-ოპტიკური მოდულატორებმა უნდა გამოიყენონ მიკერძოება pn შეერთების შესაქმნელად, როდესაც ისინი მუშაობენ, ხოლო pn შეერთება გამოიწვევს შთანთქმის დაკარგვას სინათლეზე. თუმცა, ამ ორის მოდულატორის ზომა მცირეა, კომერციული InP მოდულატორის ზომა არის LN მოდულატორის 1/4. მაღალი მოდულაციის ეფექტურობა, შესაფერისი მაღალი სიმკვრივისა და მცირე მანძილზე ციფრული ოპტიკური გადაცემის ქსელებისთვის, როგორიცაა მონაცემთა ცენტრები. ლითიუმის ნიობატის ელექტრო-ოპტიკურ ეფექტს არ გააჩნია სინათლის შთანთქმის მექანიზმი და დაბალი დანაკარგი, რაც შესაფერისია შორ მანძილზე თანმიმდევრულად.ოპტიკური კომუნიკაციადიდი ტევადობით და მაღალი მაჩვენებლით. მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებაში, Si და InP-ის ელექტრო-ოპტიკური კოეფიციენტები არაწრფივია, რაც არ არის შესაფერისი მიკროტალღური ფოტონის სისტემისთვის, რომელიც ატარებს მაღალ ხაზოვანობას და დიდ დინამიკას. ლითიუმის ნიობატის მასალა ძალიან შესაფერისია მიკროტალღური ფოტონების გამოსაყენებლად მისი სრულიად ხაზოვანი ელექტრო-ოპტიკური მოდულაციის კოეფიციენტის გამო.