Интеграцияланған микротолқынды фотон технологиясындағы жұқа қабықшалы литий ниобатының артықшылықтары мен маңызы
Микротолқынды фотон технологиясыүлкен жұмыс өткізу қабілеттілігі, күшті параллель өңдеу мүмкіндігі және төмен беріліс шығыны сияқты артықшылықтарға ие, бұл дәстүрлі микротолқынды жүйенің техникалық кедергілерін жоюға және радар, электронды соғыс, байланыс және өлшеу және басқару сияқты әскери электрондық ақпараттық жабдықтардың жұмысын жақсартуға мүмкіндік береді. Дегенмен, дискретті құрылғыларға негізделген микротолқынды фотон жүйесінде үлкен көлем, ауыр салмақ және нашар тұрақтылық сияқты кейбір мәселелер бар, бұл микротолқынды фотон технологиясын ғарыштық және әуе платформаларында қолдануды айтарлықтай шектейді. Сондықтан, интеграцияланған микротолқынды фотон технологиясы әскери электрондық ақпараттық жүйеде микротолқынды фотонды қолдануды тоқтату және микротолқынды фотон технологиясының артықшылықтарын толық пайдалану үшін маңызды қолдауға айналуда.
Қазіргі уақытта SI негізіндегі фотондық интеграция технологиясы және INP негізіндегі фотондық интеграция технологиясы оптикалық байланыс саласындағы жылдар бойы дамығаннан кейін барған сайын жетіліп келеді және нарыққа көптеген өнімдер шығарылды. Дегенмен, микротолқынды фотонды қолдану үшін фотонды интеграциялау технологияларының осы екі түрінде кейбір мәселелер бар: мысалы, Si модуляторы мен InP модуляторының сызықтық емес электрооптикалық коэффициенті микротолқынды фотон технологиясы ұстанатын жоғары сызықтықтық пен үлкен динамикалық сипаттамаларға қайшы келеді; Мысалы, жылу-оптикалық әсерге, пьезоэлектрлік әсерге немесе тасымалдаушы инъекциялық дисперсия әсеріне негізделген оптикалық жолды ауыстыруды жүзеге асыратын кремний оптикалық қосқышында баяу ауысу жылдамдығы, қуат тұтынуы және жылу тұтыну проблемалары бар, бұл жылдам сәуле сканерлеу және үлкен массивтік микротолқынды фотонды қолдану талаптарына сәйкес келмейді.
Литий ниобаты әрқашан жоғары жылдамдық үшін бірінші таңдау болдыэлектрооптикалық модуляцияматериалдардың сызықтық электрооптикалық әсері өте жақсы болғандықтан. Дегенмен, дәстүрлі литий ниобатыэлектрооптикалық модуляторлитий ниобатының үлкен кристалды материалынан жасалған және құрылғының өлшемі өте үлкен, бұл интеграцияланған микротолқынды фотон технологиясының қажеттіліктерін қанағаттандыра алмайды. Сызықтық электрооптикалық коэффициенті бар литий ниобаты материалдарын интеграцияланған микротолқынды фотон технологиясы жүйесіне қалай біріктіру тиісті зерттеушілердің мақсатына айналды. 2018 жылы Америка Құрама Штаттарындағы Гарвард университетінің зерттеу тобы алғаш рет жұқа пленкалы литий ниобатына негізделген фотонды интеграциялау технологиясын Nature журналында жариялады, себебі бұл технология жоғары интеграция, үлкен электрооптикалық модуляция өткізу қабілеттілігі және электрооптикалық әсердің жоғары сызықтылығы сияқты артықшылықтарға ие, іске қосылғаннан кейін ол бірден фотонды интеграция және микротолқынды фотоника саласындағы академиялық және өнеркәсіптік назарды тудырды. Микротолқынды фотонды қолдану тұрғысынан бұл мақалада жұқа пленкалы литий ниобатына негізделген фотонды интеграциялау технологиясының микротолқынды фотон технологиясының дамуына әсері мен маңызы қарастырылады.
Жұқа пленкалы литий ниобаты материалы және жұқа пленкалитий ниобаты модуляторы
Соңғы екі жылда литий ниобаты материалының жаңа түрі пайда болды, яғни литий ниобаты қабықшасы массивті литий ниобаты кристалынан «иондық кесу» әдісімен қабыршақтанады және кремний диоксиді буферлік қабатымен Si пластинасына жалғанып, LNOI (LiNbO3-On-Insulator) материалын түзеді [5], бұл мақалада жұқа пленкалы литий ниобаты материалы деп аталады. Биіктігі 100 нанометрден асатын жоталық толқын өткізгіштерді құрғақ ою процесін оңтайландыру арқылы жұқа пленкалы литий ниобаты материалдарына оюға болады, ал пайда болған толқын өткізгіштердің тиімді сыну көрсеткішінің айырмашылығы 1-суретте көрсетілгендей 0,8-ден асады (дәстүрлі литий ниобаты толқын өткізгіштерінің сыну көрсеткішінің айырмашылығынан 0,02-ден әлдеқайда жоғары). Қатты шектеулі толқын өткізгіш модуляторды жобалау кезінде жарық өрісін микротолқынды өріспен сәйкестендіруді жеңілдетеді. Осылайша, қысқа ұзындықта төменгі жартылай толқын кернеуіне және үлкен модуляция өткізу қабілеттілігіне қол жеткізу пайдалы.
Төмен шығынды литий ниобатының субмикронды толқын өткізгішінің пайда болуы дәстүрлі литий ниобатының электро-оптикалық модуляторының жоғары қозғаушы кернеуінің тар жолын бұзады. Электрод аралығын ~ 5 мкм-ге дейін азайтуға болады, ал электр өрісі мен оптикалық режим өрісі арасындағы қабаттасу айтарлықтай артады, ал vπ ·L 20 В·см-ден 2,8 В·см-ден азға дейін төмендейді. Сондықтан, бірдей жартылай толқынды кернеу кезінде құрылғының ұзындығын дәстүрлі модулятормен салыстырғанда айтарлықтай азайтуға болады. Сонымен қатар, суретте көрсетілгендей, қозғалатын толқын электродының ені, қалыңдығы және аралығының параметрлерін оңтайландырғаннан кейін, модулятор 100 ГГц-тен асатын ультра жоғары модуляция өткізу қабілеттілігіне ие бола алады.
1-сурет (а) есептелген режимнің таралуы және LN толқын өткізгішінің көлденең қимасының (b) кескіні
2-сурет (а) Толқын өткізгіш және электрод құрылымы және LN модуляторының (b) өзек тақтасы
Жұқа қабықшалы литий ниобаты модуляторларын дәстүрлі литий ниобатының коммерциялық модуляторларымен, кремний негізіндегі модуляторлармен және индий фосфиді (InP) модуляторларымен және басқа да жоғары жылдамдықты электрооптикалық модуляторлармен салыстыру кезінде негізгі салыстыру параметрлеріне мыналар кіреді:
(1) Модулятордың модуляция тиімділігін өлшейтін жартылай толқынды вольт ұзындықтағы көбейтінді (vπ ·L, V·см), мән неғұрлым кіші болса, модуляция тиімділігі соғұрлым жоғары болады;
(2) модулятордың жоғары жиілікті модуляцияға реакциясын өлшейтін 3 дБ модуляция өткізу жолағының ені (ГГц);
(3) Модуляция аймағындағы оптикалық енгізу шығыны (дБ). Кестеден жұқа пленкалы литий ниобаты модуляторының модуляция өткізу қабілеттілігінде, жартылай толқынды кернеуде, оптикалық интерполяция шығынында және т.б. айқын артықшылықтары бар екенін көруге болады.
Кремний, интеграцияланған оптоэлектрониканың негізі ретінде, осы уақытқа дейін дамыған, бұл процесс жетілген, оның миниатюризациясы белсенді/пассивті құрылғыларды кең көлемде интеграциялауға ықпал етеді және оның модуляторы оптикалық байланыс саласында кеңінен және терең зерттелген. Кремнийдің электро-оптикалық модуляция механизмі негізінен тасымалдаушының азаюы, тасымалдаушыны инъекциялау және тасымалдаушының жинақталуы болып табылады. Олардың ішінде модулятордың өткізу қабілеттілігі сызықтық дәрежелі тасымалдаушының азаю механизмімен оңтайлы, бірақ оптикалық өрістің таралуы азаю аймағының біркелкі еместігімен қабаттасатындықтан, бұл әсер сызықтық емес екінші ретті бұрмалануды және үшінші ретті интермодуляция бұрмалануын енгізеді, сонымен қатар тасымалдаушының жарыққа сіңіру әсері пайда болады, бұл оптикалық модуляция амплитудасының және сигналдың бұрмалануының төмендеуіне әкеледі.
InP модуляторы керемет электрооптикалық әсерлерге ие, ал көп қабатты кванттық ұңғыма құрылымы Vπ·L 0,156V·mm дейінгі ультра жоғары жылдамдықты және төмен қозғаушы кернеу модуляторларын жүзеге асыра алады. Дегенмен, электр өрісімен сыну көрсеткішінің өзгеруі сызықтық және сызықтық емес терминдерді қамтиды, ал электр өрісінің қарқындылығының артуы екінші ретті әсерді айқын етеді. Сондықтан кремний және InP электрооптикалық модуляторлары жұмыс істеген кезде pn түйіспесін қалыптастыру үшін ығысуды қолдануы керек, ал pn түйіспесі жарыққа сіңіру шығынын әкеледі. Дегенмен, бұл екеуінің модулятор өлшемі кішкентай, коммерциялық InP модулятор өлшемі LN модуляторының 1/4 бөлігін құрайды. Модуляция тиімділігі жоғары, деректер орталықтары сияқты жоғары тығыздықтағы және қысқа қашықтықтағы сандық оптикалық тарату желілеріне жарамды. Литий ниобатының электрооптикалық әсері жарықты сіңіру механизміне ие емес және төмен шығынға ие, бұл ұзақ қашықтықтағы когеренттілікке жарамды.оптикалық байланысүлкен сыйымдылықпен және жоғары жылдамдықпен. Микротолқынды фотонды қолдануда Si және InP электрооптикалық коэффициенттері сызықты емес, бұл жоғары сызықтық пен үлкен динамиканы көздейтін микротолқынды фотонды жүйе үшін жарамсыз. Литий ниобаты материалы толығымен сызықтық электрооптикалық модуляция коэффициентіне байланысты микротолқынды фотонды қолдануға өте қолайлы.
Жарияланған уақыты: 2024 жылғы 22 сәуір