Նիհար թաղանթով լիթիումի նիոբատ նյութ և բարակ թաղանթով լիթիումի նիոբատ մոդուլատոր

Լիթիումի նիոբատի բարակ թաղանթի առավելություններն ու նշանակությունը ինտեգրված միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիայի մեջ

Միկրոալիքային ֆոտոնների տեխնոլոգիաունի աշխատանքային մեծ թողունակության, ուժեղ զուգահեռ մշակման ունակության և փոխանցման ցածր կորստի առավելությունները, որոնք կարող են կոտրել ավանդական միկրոալիքային համակարգի տեխնիկական խոչընդոտը և բարելավել ռազմական էլեկտրոնային տեղեկատվական սարքավորումների աշխատանքը, ինչպիսիք են ռադարը, էլեկտրոնային պատերազմը, կապը և չափումը և այլն: վերահսկողություն. Այնուամենայնիվ, միկրոալիքային ֆոտոնային համակարգը, որը հիմնված է դիսկրետ սարքերի վրա, ունի որոշ խնդիրներ, ինչպիսիք են մեծ ծավալը, ծանր քաշը և վատ կայունությունը, որոնք լրջորեն սահմանափակում են միկրոալիքային ֆոտոնների տեխնոլոգիայի կիրառումը տիեզերական և օդային հարթակներում: Հետևաբար, միկրոալիքային ֆոտոնների ինտեգրված տեխնոլոգիան դառնում է կարևոր աջակցություն՝ ռազմական էլեկտրոնային տեղեկատվական համակարգում միկրոալիքային ֆոտոնների կիրառումը կոտրելու և միկրոալիքային ֆոտոնների տեխնոլոգիայի առավելություններին լիարժեք խաղալու համար:

Ներկայումս SI-ի վրա հիմնված ֆոտոնային ինտեգրման տեխնոլոգիան և INP-ի վրա հիմնված ֆոտոնիկ ինտեգրման տեխնոլոգիան ավելի ու ավելի հասունացել են օպտիկական հաղորդակցության ոլորտում տարիներ շարունակ զարգացումից հետո, և շատ ապրանքներ են շուկա հանվել: Այնուամենայնիվ, միկրոալիքային ֆոտոնների կիրառման համար կան որոշ խնդիրներ ֆոտոնների ինտեգրման այս երկու տեսակի տեխնոլոգիաներում. օրինակ, Si մոդուլատորի և InP մոդուլատորի ոչ գծային էլեկտրաօպտիկական գործակիցը հակասում է միկրոալիքային վառարանի կողմից հետապնդվող բարձր գծային և մեծ դինամիկ բնութագրերին: ֆոտոնների տեխնոլոգիա; Օրինակ, սիլիկոնային օպտիկական անջատիչը, որն իրականացնում է օպտիկական ուղու միացում, լինի դա հիմնված է ջերմա-օպտիկական էֆեկտի, պիեզոէլեկտրական էֆեկտի կամ կրիչի ներարկման ցրման էֆեկտի վրա, ունի դանդաղ անջատման արագության, էներգիայի սպառման և ջերմության սպառման խնդիրներ, որոնք չեն կարող բավարարել արագին: ճառագայթային սկանավորում և մեծ մասշտաբով միկրոալիքային ֆոտոնների կիրառություն:

Լիթիումի նիոբատը միշտ եղել է առաջին ընտրությունը բարձր արագության համարէլեկտրաօպտիկական մոդուլյացիանյութեր՝ իր գերազանց գծային էլեկտրաօպտիկական ազդեցության պատճառով: Այնուամենայնիվ, ավանդական լիթիումի նիոբատըէլեկտրաօպտիկական մոդուլյատորպատրաստված է զանգվածային լիթիումի նիոբատ բյուրեղյա նյութից, իսկ սարքի չափսերը շատ մեծ են, ինչը չի կարող բավարարել միկրոալիքային ֆոտոնային ինտեգրված տեխնոլոգիայի կարիքները: Ինչպես ինտեգրել լիթիումի նիոբատի նյութերը գծային էլեկտրաօպտիկական գործակցով միկրոալիքային ֆոտոնային տեխնոլոգիական ինտեգրված համակարգում, դարձել է համապատասխան հետազոտողների նպատակը: 2018 թվականին Միացյալ Նահանգների Հարվարդի համալսարանի հետազոտական ​​թիմն առաջին անգամ զեկուցեց Բնության մեջ բարակ թաղանթով լիթիումի նիոբատի վրա հիմնված ֆոտոնիկ ինտեգրման տեխնոլոգիայի մասին, քանի որ տեխնոլոգիան ունի բարձր ինտեգրման, էլեկտրաօպտիկական մոդուլյացիայի մեծ թողունակության և էլեկտրաէներգիայի բարձր գծայինության առավելությունները: - օպտիկական էֆեկտը, գործարկվելուց հետո, այն անմիջապես առաջացրեց ակադեմիական և արդյունաբերական ուշադրություն ֆոտոնային ինտեգրման և միկրոալիքային ֆոտոնիկայի ոլորտում: Միկրոալիքային ֆոտոնների կիրառման տեսանկյունից այս հոդվածը վերանայում է ֆոտոնների ինտեգրման տեխնոլոգիայի ազդեցությունը և նշանակությունը, որը հիմնված է բարակ թաղանթով լիթիումի նիոբատի վրա, միկրոալիքային ֆոտոնների տեխնոլոգիայի զարգացման վրա:

Նիհար թաղանթով լիթիումի նիոբատ նյութ և բարակ թաղանթլիթիումի նիոբատի մոդուլատոր
Վերջին երկու տարիների ընթացքում ի հայտ է եկել լիթիումի նիոբատի նյութի նոր տեսակ, այսինքն՝ լիթիումի նիոբատի թաղանթը շերտավորվում է զանգվածային լիթիումի նիոբատի բյուրեղից «իոնային կտրատման» մեթոդով և կապվում է Si վաֆլի հետ սիլիցիումի բուֆերային շերտով։ ձևավորել LNOI (LiNbO3-On-Insulator) նյութ [5], որն այս հոդվածում կոչվում է բարակ թաղանթով լիթիումի նիոբատ նյութ: 100 նանոմետրից ավելի բարձրությամբ լեռնաշղթայի ալիքատարները կարող են փորագրվել բարակ թաղանթով լիթիումի նիոբատ նյութերի վրա՝ օպտիմիզացված չոր փորագրման գործընթացով, իսկ ձևավորված ալիքատարների արդյունավետ բեկման ինդեքսը կարող է հասնել ավելի քան 0,8-ի (շատ ավելի բարձր, քան ավանդականի բեկման ինդեքսը: 0.02 լիթիումի նիոբատի ալիքատարներ), ինչպես ցույց է տրված Նկար 1-ում: Խիստ սահմանափակված ալիքատարը հեշտացնում է լուսային դաշտի համապատասխանեցումը միկրոալիքային դաշտի հետ մոդուլյատորը նախագծելիս: Այսպիսով, շահավետ է ավելի ցածր կիսաալիքային լարման և ավելի մեծ մոդուլյացիայի թողունակության հասնել ավելի կարճ երկարությամբ:

Ցածր կորստի լիթիումի նիոբատի ենթամիկրոն ալիքատարի տեսքը կոտրում է ավանդական լիթիումի նիոբատի էլեկտրաօպտիկական մոդուլյատորի բարձր շարժիչ լարման խցանը: Էլեկտրոդների տարածությունը կարող է կրճատվել մինչև ~ 5 մկմ, և էլեկտրական դաշտի և օպտիկական ռեժիմի դաշտի միջև համընկնումը մեծապես մեծանում է, և vπ ·L-ը նվազում է ավելի քան 20 V·cm-ից մինչև 2,8 V·cm-ից պակաս: Հետևաբար, նույն կիսաալիքային լարման դեպքում սարքի երկարությունը կարող է զգալիորեն կրճատվել՝ համեմատած ավանդական մոդուլյատորի հետ: Միևնույն ժամանակ, ընթացող ալիքի էլեկտրոդի լայնության, հաստության և միջակայքի պարամետրերը օպտիմալացնելուց հետո, ինչպես ցույց է տրված նկարում, մոդուլյատորը կարող է ունենալ 100 ԳՀց-ից ավելի գերբարձր մոդուլյացիայի թողունակություն:

Նկար 1 (ա) հաշվարկված ռեժիմի բաշխում և (բ) LN ալիքատարի խաչմերուկի պատկերը

Նկար 2 (ա) Ալիքի հաղորդիչի և էլեկտրոդի կառուցվածքը և (բ) LN մոդուլյատորի համադրումը

Բարակ թաղանթով լիթիումի նիոբատ մոդուլատորների համեմատությունը ավանդական լիթիումի նիոբատի առևտրային մոդուլատորների, սիլիցիումի վրա հիմնված մոդուլատորների և ինդիումի ֆոսֆիդի (InP) մոդուլատորների և գոյություն ունեցող այլ բարձր արագությամբ էլեկտրաօպտիկական մոդուլատորների հետ, համեմատության հիմնական պարամետրերը ներառում են.
(1) Կիսալիքային վոլտ երկարության արտադրանք (vπ ·L, V·cm), որը չափում է մոդուլյատորի մոդուլյացիայի արդյունավետությունը, որքան փոքր է արժեքը, այնքան բարձր է մոդուլյացիայի արդյունավետությունը.
(2) 3 դԲ մոդուլյացիայի թողունակություն (ԳՀց), որը չափում է մոդուլյատորի արձագանքը բարձր հաճախականության մոդուլյացիայի նկատմամբ.
(3) Օպտիկական ներդրման կորուստ (dB) մոդուլյացիայի շրջանում: Աղյուսակից երևում է, որ բարակ թաղանթով լիթիումի նիոբատի մոդուլյատորն ակնհայտ առավելություններ ունի մոդուլյացիայի թողունակության, կիսաալիքային լարման, օպտիկական ինտերպոլացիայի կորստի և այլնի մեջ:

Սիլիկոնը, որպես ինտեգրված օպտոէլեկտրոնիկայի հիմնաքար, մինչ այժմ մշակվել է, գործընթացը հասուն է, դրա մանրանկարչությունը նպաստում է ակտիվ/պասիվ սարքերի լայնածավալ ինտեգրմանը, և դրա մոդուլյատորը լայնորեն և խորապես ուսումնասիրվել է օպտիկական ոլորտում։ հաղորդակցություն. Սիլիցիումի էլեկտրաօպտիկական մոդուլյացիայի մեխանիզմը հիմնականում կրիչի հեռացումն է, կրիչի ներարկումը և կրիչի կուտակումը: Դրանցից մոդուլյատորի թողունակությունը օպտիմալ է գծային աստիճանի կրիչի սպառման մեխանիզմով, բայց քանի որ օպտիկական դաշտի բաշխումը համընկնում է սպառման շրջանի անհավասարության հետ, այս էֆեկտը կներկայացնի ոչ գծային երկրորդ կարգի աղավաղում և երրորդ կարգի միջմոդուլյացիայի աղավաղում: պայմաններ՝ զուգորդված լույսի վրա կրիչի կլանման ազդեցության հետ, ինչը կհանգեցնի օպտիկական մոդուլյացիայի ամպլիտուդի և ազդանշանի աղավաղման նվազմանը:

InP մոդուլյատորն ունի ակնառու էլեկտրաօպտիկական էֆեկտներ, և բազմաշերտ քվանտային հորերի կառուցվածքը կարող է իրականացնել ծայրահեղ բարձր արագությամբ և ցածր շարժիչ լարման մոդուլատորներ Vπ·L մինչև 0,156V · մմ: Այնուամենայնիվ, բեկման ինդեքսի փոփոխությունը էլեկտրական դաշտի հետ ներառում է գծային և ոչ գծային տերմիններ, և էլեկտրական դաշտի ինտենսիվության աճը ակնառու կդարձնի երկրորդ կարգի էֆեկտը: Հետևաբար, սիլիցիումի և InP էլեկտրաօպտիկական մոդուլյատորները պետք է կիրառեն կողմնակալություն pn հանգույց ձևավորելու համար, երբ նրանք աշխատում են, և pn հանգույցը կբերի կլանման կորուստը լույսի ներքո: Այնուամենայնիվ, այս երկուսի մոդուլատորի չափը փոքր է, առևտրային InP մոդուլատորի չափը LN մոդուլատորի 1/4-ն է: Բարձր մոդուլյացիայի արդյունավետություն, հարմար է բարձր խտության և կարճ հեռավորության թվային օպտիկական հաղորդման ցանցերի համար, ինչպիսիք են տվյալների կենտրոնները: Լիթիումի նիոբատի էլեկտրաօպտիկական էֆեկտը չունի լույսի կլանման մեխանիզմ և ցածր կորուստ, որը հարմար է երկար հեռավորությունների հետ կապվածօպտիկական հաղորդակցությունմեծ հզորությամբ և բարձր տեմպերով։ Միկրոալիքային ֆոտոնների 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 նիոբատ նյութը շատ հարմար է միկրոալիքային ֆոտոնների կիրառման համար՝ իր ամբողջովին գծային էլեկտրաօպտիկական մոդուլյացիայի գործակցի պատճառով: