Բարակ թաղանթային լիթիումի նիոբատային նյութ և բարակ թաղանթային լիթիումի նիոբատային մոդուլյատոր

Բարակ թաղանթային լիթիումի նիոբատի առավելություններն ու նշանակությունը ինտեգրված միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայում

Միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիաԱյն ունի մեծ աշխատանքային թողունակության, ուժեղ զուգահեռ մշակման ունակության և ցածր փոխանցման կորուստների առավելություններ, որոնք կարող են վերացնել ավանդական միկրոալիքային համակարգի տեխնիկական խոչընդոտը և բարելավել ռազմական էլեկտրոնային տեղեկատվական սարքավորումների, ինչպիսիք են ռադարը, էլեկտրոնային պատերազմը, կապը, չափումը և կառավարումը, աշխատանքը: Այնուամենայնիվ, դիսկրետ սարքերի վրա հիմնված միկրոալիքային ֆոտոնային համակարգը որոշ խնդիրներ ունի, ինչպիսիք են մեծ ծավալը, ծանր քաշը և վատ կայունությունը, որոնք լրջորեն սահմանափակում են միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայի կիրառումը տիեզերական և օդային հարթակներում: Հետևաբար, ինտեգրված միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիան դառնում է կարևոր հենարան՝ ռազմական էլեկտրոնային տեղեկատվական համակարգերում միկրոալիքային ֆոտոնային կիրառումը վերացնելու և միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայի առավելությունները լիարժեքորեն օգտագործելու համար:

Ներկայումս, SI-ի վրա հիմնված ֆոտոնային ինտեգրման տեխնոլոգիան և INP-ի վրա հիմնված ֆոտոնային ինտեգրման տեխնոլոգիան օպտիկական կապի ոլորտում տարիների զարգացման շնորհիվ ավելի ու ավելի զարգացած են դարձել, և շուկայում են հայտնվել բազմաթիվ արտադրանքներ։ Այնուամենայնիվ, միկրոալիքային ֆոտոնի կիրառման համար այս երկու տեսակի ֆոտոնային ինտեգրման տեխնոլոգիաների հետ կապված կան որոշ խնդիրներ. օրինակ՝ Si մոդուլյատորի և InP մոդուլյատորի ոչ գծային էլեկտրոօպտիկական գործակիցը հակասում է միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայի կողմից հետապնդվող բարձր գծայնությանը և մեծ դինամիկ բնութագրերին։ Օրինակ՝ սիլիցիումային օպտիկական անջատիչը, որն իրականացնում է օպտիկական ուղու անջատում, անկախ նրանից՝ հիմնված է ջերմաօպտիկական էֆեկտի, պիեզոէլեկտրական էֆեկտի, թե կրիչի ներարկման դիսպերսիայի էֆեկտի վրա, ունի դանդաղ անջատման արագության, էներգիայի և ջերմության սպառման խնդիրներ, որոնք չեն կարող բավարարել արագ ճառագայթային սկանավորման և մեծ զանգվածային մասշտաբի միկրոալիքային ֆոտոնային կիրառությունները։

Լիթիումի նիոբատը միշտ եղել է բարձր արագության համար առաջին ընտրությունըէլեկտրաօպտիկական մոդուլյացիանյութեր՝ իր գերազանց գծային էլեկտրաօպտիկական էֆեկտի շնորհիվ։ Սակայն, ավանդական լիթիումի նիոբատըէլեկտրաօպտիկական մոդուլյատորՊատրաստված է լիթիումի նիոբատի զանգվածային բյուրեղային նյութից, և սարքի չափը շատ մեծ է, ինչը չի կարող բավարարել ինտեգրված միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայի պահանջները: Համապատասխան հետազոտողների նպատակն է դարձել ինտեգրված միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայի համակարգում գծային էլեկտրոօպտիկական գործակցով լիթիումի նիոբատային նյութերը ինտեգրելու եղանակը: 2018 թվականին ԱՄՆ-ի Հարվարդի համալսարանի հետազոտական ​​​​խումբը առաջին անգամ Nature-ում հաղորդեց բարակ թաղանթային լիթիումի նիոբատի վրա հիմնված ֆոտոնային ինտեգրման տեխնոլոգիայի մասին, քանի որ տեխնոլոգիան ունի բարձր ինտեգրման, մեծ էլեկտրոօպտիկական մոդուլյացիայի թողունակության և էլեկտրաօպտիկական էֆեկտի բարձր գծայնության առավելություններ, և գործարկումից հետո այն անմիջապես առաջացրեց ակադեմիական և արդյունաբերական ուշադրություն ֆոտոնային ինտեգրման և միկրոալիքային ֆոտոնիկայի ոլորտում: Միկրոալիքային ֆոտոնային կիրառման տեսանկյունից, այս հոդվածը դիտարկում է բարակ թաղանթային լիթիումի նիոբատի վրա հիմնված ֆոտոնային ինտեգրման տեխնոլոգիայի ազդեցությունն ու նշանակությունը միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայի զարգացման վրա:

Բարակ թաղանթային լիթիումի նիոբատային նյութ և բարակ թաղանթլիթիումի նիոբատի մոդուլյատոր
Վերջին երկու տարիների ընթացքում ի հայտ է եկել լիթիում նիոբատային նյութի նոր տեսակ, այսինքն՝ լիթիում նիոբատային թաղանթը անջատվում է լիթիում նիոբատի զանգվածային բյուրեղից «իոնային կտրատման» մեթոդով և միացվում Si վաֆլիին սիլիցիումային բուֆերային շերտով՝ ձևավորելով LNOI (LiNbO3-On-Insulator) նյութ [5], որը այս աշխատանքում կոչվում է բարակ թաղանթային լիթիում նիոբատային նյութ: 100 նանոմետրից ավելի բարձրությամբ լեռնաշղթայով ալիքատարները կարող են փորագրվել բարակ թաղանթային լիթիում նիոբատային նյութերի վրա՝ օպտիմալացված չոր փորագրման գործընթացով, և ձևավորված ալիքատարների արդյունավետ բեկման ցուցիչի տարբերությունը կարող է հասնել ավելի քան 0.8-ի (շատ ավելի բարձր, քան ավանդական լիթիում նիոբատային ալիքատարների բեկման ցուցիչի տարբերությունը՝ 0.02), ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում: Ուժեղ սահմանափակված ալիքատարը հեշտացնում է լույսի դաշտի համապատասխանեցումը միկրոալիքային դաշտին մոդուլյատորը նախագծելիս: Այսպիսով, ավելի ձեռնտու է ավելի կարճ երկարությամբ հասնել ավելի ցածր կիսաալիքային լարման և ավելի մեծ մոդուլյացիայի թողունակության:

Ցածր կորուստներով լիթիում նիոբատային ենթամիկրոնային ալիքատարի ի հայտ գալը վերացնում է ավանդական լիթիում նիոբատային էլեկտրոօպտիկական մոդուլյատորի բարձր շարժիչ լարման նեղ վզիկը։ Էլեկտրոդների հեռավորությունը կարող է կրճատվել մինչև ~ 5 մկմ, իսկ էլեկտրական դաշտի և օպտիկական ռեժիմի դաշտի միջև համընկնումը զգալիորեն մեծանում է, իսկ vπ·L-ը նվազում է ավելի քան 20 Վ·սմ-ից մինչև 2.8 Վ·սմ-ից պակաս։ Հետևաբար, նույն կիսաալիքային լարման դեպքում սարքի երկարությունը կարող է զգալիորեն կրճատվել ավանդական մոդուլյատորի համեմատ։ Միևնույն ժամանակ, շարժվող ալիքային էլեկտրոդի լայնության, հաստության և միջակայքի պարամետրերը օպտիմալացնելուց հետո, ինչպես ցույց է տրված նկարում, մոդուլյատորը կարող է ունենալ 100 ԳՀց-ից ավելի գերբարձր մոդուլյացիոն թողունակություն։

Նկ. 1 (ա) հաշվարկված մոդերի բաշխումը և (բ) LN ալիքատարի լայնական հատույթի պատկերը

Նկ. 2 (ա) ալիքատարի և էլեկտրոդի կառուցվածքը և (բ) LN մոդուլյատորի միջուկի թիթեղը

Բարակ թաղանթային լիթիում նիոբատային մոդուլյատորների համեմատությունը ավանդական լիթիում նիոբատային առևտրային մոդուլյատորների, սիլիցիումային հիմքով մոդուլյատորների և ինդիումի ֆոսֆիդի (InP) մոդուլյատորների և այլ առկա բարձր արագությամբ էլեկտրաօպտիկական մոդուլյատորների հետ։ Համեմատության հիմնական պարամետրերն են՝
(1) Կիսալիքային վոլտ-երկարության արտադրյալը (vπ · L, V · cm), որը չափում է մոդուլյատորի մոդուլյացիայի արդյունավետությունը, որքան փոքր է արժեքը, այնքան բարձր է մոդուլյացիայի արդյունավետությունը։
(2) 3 դԲ մոդուլյացիայի թողունակություն (GHz), որը չափում է մոդուլյատորի արձագանքը բարձր հաճախականության մոդուլյացիային։
(3) Օպտիկական ներդրման կորուստ (dB) մոդուլյացիայի տիրույթում։ Աղյուսակից երևում է, որ բարակ թաղանթային լիթիումի նիոբատային մոդուլյատորն ունի ակնհայտ առավելություններ մոդուլյացիայի թողունակության, կիսաալիքային լարման, օպտիկական ինտերպոլյացիայի կորստի և այլնի առումով։

Սիլիցիումը, որպես ինտեգրված օպտոէլեկտրոնիկայի անկյունաքար, մինչ օրս մշակվել է, գործընթացը հասուն է, դրա մանրացումը նպաստում է ակտիվ/պասիվ սարքերի լայնածավալ ինտեգրմանը, իսկ մոդուլյատորը լայնորեն և խորությամբ ուսումնասիրվել է օպտիկական կապի ոլորտում: Սիլիցիումի էլեկտրաօպտիկական մոդուլյացիայի մեխանիզմը հիմնականում կրիչների քայքայումն է, կրիչների ներարկումը և կրիչների կուտակումը: Դրանց թվում մոդուլյատորի թողունակությունը օպտիմալ է գծային աստիճանի կրիչների քայքայման մեխանիզմով, բայց քանի որ օպտիկական դաշտի բաշխումը համընկնում է քայքայման շրջանի անհավասարության հետ, այս էֆեկտը կներդնի ոչ գծային երկրորդ կարգի աղավաղում և երրորդ կարգի միջմոդուլյացիոն աղավաղում, զուգորդված կրիչի լույսի վրա կլանման ազդեցության հետ, ինչը կհանգեցնի օպտիկական մոդուլյացիայի ամպլիտուդի և ազդանշանի աղավաղման նվազմանը:

InP մոդուլյատորն ունի ակնառու էլեկտրաօպտիկական էֆեկտներ, և բազմաշերտ քվանտային հորատանցքի կառուցվածքը կարող է իրականացնել գերբարձր արագության և ցածր շարժիչ լարման մոդուլյատորներ՝ Vπ·L-ով մինչև 0.156V·մմ: Այնուամենայնիվ, էլեկտրական դաշտի հետ բեկման ցուցիչի տատանումը ներառում է գծային և ոչ գծային անդամներ, և էլեկտրական դաշտի ինտենսիվության աճը կդարձնի երկրորդ կարգի էֆեկտը ակնառու: Հետևաբար, սիլիցիումային և InP էլեկտրաօպտիկական մոդուլյատորները, երբ աշխատում են, պետք է կիրառեն շեղում՝ pn միացում ստեղծելու համար, և pn միացումը կբերի կլանման կորուստ լույսի: Այնուամենայնիվ, այս երկուսի մոդուլյատորի չափը փոքր է, առևտրային InP մոդուլյատորի չափը LN մոդուլյատորի 1/4-ն է: Բարձր մոդուլյացիայի արդյունավետություն, հարմար է բարձր խտության և կարճ հեռավորության թվային օպտիկական փոխանցման ցանցերի համար, ինչպիսիք են տվյալների կենտրոնները: Լիթիումի նիոբատի էլեկտրաօպտիկական էֆեկտը չունի լույսի կլանման մեխանիզմ և ցածր կորուստ, ինչը հարմար է երկար հեռավորության կոհերենտ փոխանցման համար:օպտիկական կապմեծ տարողությամբ և բարձր արագությամբ: Միկրոալիքային ֆոտոնային կիրառման մեջ Si-ի և InP-ի էլեկտրաօպտիկական գործակիցները ոչ գծային են, ինչը հարմար չէ միկրոալիքային ֆոտոնային համակարգի համար, որը հետապնդում է բարձր գծայնություն և մեծ դինամիկա: Լիթիումի նիոբատային նյութը շատ հարմար է միկրոալիքային ֆոտոնային կիրառման համար՝ իր լիովին գծային էլեկտրաօպտիկական մոդուլյացիայի գործակցի շնորհիվ: