Біріктірілген микротолқынды фотон технологиясындағы жұқа қабықшалы литий ниобаттың артықшылықтары мен маңызы
Микротолқынды фотон технологиясыдәстүрлі микротолқынды жүйенің техникалық тығырықтан шығуы және радар, электронды соғыс, байланыс және өлшеу және бақылау сияқты әскери электрондық ақпараттық жабдықтың өнімділігін жақсарту мүмкіндігі бар үлкен жұмыс өткізу қабілеттілігінің, күшті параллель өңдеу қабілетінің және берудің төмен жоғалтуының артықшылықтары бар. Дегенмен, дискретті құрылғыларға негізделген микротолқынды фотондық жүйеде үлкен көлем, ауыр салмақ және нашар тұрақтылық сияқты кейбір проблемалар бар, бұл ғарыштық және әуе платформаларында микротолқынды фотон технологиясын қолдануды айтарлықтай шектейді. Сондықтан біріктірілген микротолқынды фотон технологиясы әскери электрондық ақпараттық жүйеде микротолқынды фотонды қолдануды бұзу және микротолқынды фотон технологиясының артықшылықтарын толық пайдалану үшін маңызды қолдауға айналуда.
Қазіргі уақытта SI негізіндегі фотонды интеграция технологиясы және INP негізіндегі фотонды интеграция технологиясы оптикалық байланыс саласындағы көптеген жылдар бойы дамығаннан кейін барған сайын жетілдірілді және нарыққа көптеген өнімдер шығарылды. Дегенмен, микротолқынды фотонды қолдану үшін фотонды біріктіру технологияларының осы екі түрінде кейбір мәселелер бар: мысалы, Si модуляторы мен InP модуляторының сызықты емес электро-оптикалық коэффициенті микротолқынды фотон технологиясымен жүргізілетін жоғары сызықтық және үлкен динамикалық сипаттамаларға қайшы келеді; Мысалы, жылу-оптикалық әсерге, пьезоэлектрлік эффектке немесе тасымалдаушы инъекциялық дисперсиялық әсерге негізделгеніне қарамастан, оптикалық жолды ауыстыруды жүзеге асыратын кремний оптикалық қосқышында баяу коммутация жылдамдығы, қуатты тұтыну және жылуды тұтыну мәселелері бар, бұл жылдам сәулені сканерлеуге және кең ауқымды микротолқынды фотонды қолданбаларға жауап бере алмайды.
Литий ниобаты әрқашан жоғары жылдамдық үшін бірінші таңдау болдыэлектрооптикалық модуляцияоның тамаша сызықтық электро-оптикалық әсерінің арқасында материалдар. Дегенмен, дәстүрлі литий ниобатыэлектрооптикалық модулятормассивтік литий ниобаты кристалды материалдан жасалған және құрылғының өлшемі өте үлкен, ол біріктірілген микротолқынды фотон технологиясының қажеттіліктерін қанағаттандыра алмайды. Сызықтық электро-оптикалық коэффициенті бар литий ниобат материалдарын біріктірілген микротолқынды фотондық технология жүйесіне қалай біріктіру тиісті зерттеушілердің мақсатына айналды. 2018 жылы Америка Құрама Штаттарының Гарвард университетінің зерттеу тобы алғаш рет Табиғаттағы жұқа қабықшалы литий ниобат негізіндегі фотонды интеграция технологиясы туралы хабарлады, өйткені технология жоғары интеграция, үлкен электро-оптикалық модуляция өткізу қабілеті және электро-оптикалық әсердің жоғары сызықтылығының артықшылықтарына ие. Микротолқынды фотонды қолдану тұрғысынан бұл жұмыс микротолқынды фотон технологиясының дамуына жұқа қабықшалы литий ниобата негізіндегі фотонды интеграциялау технологиясының әсері мен маңыздылығын қарастырады.
Литий ниобаты жұқа пленка және жұқа пленкалитий ниобаты модуляторы
Соңғы екі жылда литий ниобаты материалының жаңа түрі пайда болды, яғни литий ниобаты пленкасы массивті литий ниобат кристалынан «ионды кесу» әдісімен қабыршақтанады және Si пластинкасына кремний диоксиді буферлік қабатпен байланысады, ол LNOI (LiNbO3 - пленка деп аталады) түзеді. осы қағаздағы литий ниобат материалы. Биіктігі 100 нанометрден асатын жоталы толқын өткізгіштерді оңтайландырылған құрғақ сызу процесі арқылы жұқа қабықшалы литий ниобат материалдарына оюға болады және қалыптасқан толқын өткізгіштердің тиімді сыну көрсеткішінің айырмашылығы 0,8-ден астамға жетуі мүмкін (дәстүрлі литий ниобатының сыну көрсеткішінің айырмашылығынан әлдеқайда жоғары), 02-суретте көрсетілгендей. шектелген толқын өткізгіш модуляторды жобалау кезінде жарық өрісін микротолқынды өріспен сәйкестендіруді жеңілдетеді. Осылайша, қысқа ұзындықта төменгі жарты толқындық кернеуге және үлкен модуляция өткізу қабілеттілігіне қол жеткізу тиімді.
Төмен шығынды литий ниобаты субмикронды толқын өткізгіштің пайда болуы дәстүрлі литий ниобаты электро-оптикалық модуляторының жоғары қозғаушы кернеуінің кедергісін бұзады. Электрод аралығын ~ 5 мкм-ге дейін азайтуға болады, ал электр өрісі мен оптикалық режим өрісі арасындағы қабаттасу айтарлықтай артады және vπ ·L 20 В·см-ден 2,8 В·см-ден азаяды. Сондықтан бірдей жарты толқынды кернеу кезінде құрылғының ұзындығын дәстүрлі модулятормен салыстырғанда айтарлықтай азайтуға болады. Сонымен қатар, суретте көрсетілгендей жылжымалы толқын электродының ені, қалыңдығы және интервалының параметрлерін оңтайландырғаннан кейін модулятор 100 ГГц-ден жоғары ультра жоғары модуляция өткізу қабілетіне ие болуы мүмкін.
1-сурет （a） есептелген режимнің таралуы және （b） LN толқын өткізгішінің көлденең қимасының кескіні
2-сурет （a） Толқын өткізгіш және электрод құрылымы және (b) LN модуляторының негізгі тақтасы
Жұқа қабықшалы литий ниобаты модуляторларын дәстүрлі литий ниобаты коммерциялық модуляторларымен, кремний негізіндегі модуляторлармен және индий фосфиді (InP) модуляторларымен және басқа да бар жоғары жылдамдықты электро-оптикалық модуляторлармен салыстыру, салыстырудың негізгі параметрлері мыналарды қамтиды:
(1) Модулятордың модуляция тиімділігін өлшейтін жарты толқынды вольттық өнім (vπ ·L, V·см), мән неғұрлым аз болса, модуляция тиімділігі соғұрлым жоғары болады;
(2) модулятордың жоғары жиілікті модуляцияға жауабын өлшейтін 3 дБ модуляция өткізу жолағы (ГГц);
(3) Модуляция аймағындағы оптикалық кірістіру жоғалуы (дБ). Кестеден жұқа пленка литий ниобаты модуляторының модуляция өткізу қабілеттілігінде, жарты толқындық кернеуде, оптикалық интерполяция жоғалтуында және т.б. айқын артықшылықтарға ие екенін көруге болады.
Кремний, интеграцияланған оптоэлектрониканың ірге тасы ретінде осы уақытқа дейін әзірленген, процесс жетілген, оның миниатюризациясы белсенді/пассивті құрылғылардың кең ауқымды интеграциясына қолайлы және оның модуляторы оптикалық байланыс саласында кеңінен және терең зерттелген. Кремнийдің электро-оптикалық модуляция механизмі негізінен тасымалдаушыны түсіру, тасымалдаушы инъекция және тасымалдаушы жинақтау болып табылады. Олардың ішінде модулятордың өткізу қабілеті сызықтық дәрежелі тасымалдаушының сарқылу механизмімен оңтайлы, бірақ оптикалық өрістің таралуы сарқылу аймағының біркелкі еместігімен қабаттасатындықтан, бұл әсер сызықты емес екінші ретті бұрмалануды және үшінші ретті интермодуляциялық бұрмалану терминдерін енгізеді, бұл тасымалдаушының жұту әсерімен бірге жарыққа және қайта модульдік сигналға әкеледі. бұрмалау.
InP модуляторының керемет электро-оптикалық әсерлері бар және көп қабатты кванттық ұңғыма құрылымы Vπ·L 0,156В · мм-ге дейінгі ультра жоғары жылдамдықты және төмен қозғаушы кернеу модуляторларын жүзеге асыра алады. Дегенмен, сыну көрсеткішінің электр өрісімен өзгеруі сызықтық және сызықтық емес мүшелерді қамтиды, ал электр өрісінің қарқындылығының артуы екінші ретті әсерді көрнекті етеді. Сондықтан кремний және InP электрооптикалық модуляторлары жұмыс істеген кезде pn түйісуін қалыптастыру үшін қиғаштықты қолдануы керек, ал pn өтуі жарыққа жұтылу жоғалуына әкеледі. Дегенмен, бұл екеуінің модулятор өлшемі шағын, коммерциялық InP модулятор өлшемі LN модуляторының 1/4 бөлігін құрайды. Модуляцияның жоғары тиімділігі, деректер орталықтары сияқты тығыздығы жоғары және қысқа қашықтыққа цифрлық оптикалық тарату желілері үшін жарамды. Литий ниобатының электрооптикалық эффектісі жарық сіңіру механизмі жоқ және аз шығынға ие, бұл ұзақ қашықтыққа сәйкес келетін когеренттіоптикалық байланысүлкен сыйымдылығымен және жоғары жылдамдығымен. Микротолқынды фотонды қолдануда Si және InP электро-оптикалық коэффициенттері сызықты емес, бұл жоғары сызықтық пен үлкен динамикаға ұмтылатын микротолқынды фотон жүйесі үшін жарамсыз. Литий ниобаты материалы микротолқынды фотонды қолдану үшін өте қолайлы, өйткені оның толық сызықты электро-оптикалық модуляция коэффициенті.
Жіберу уақыты: 22 сәуір-2024 ж