Material niobati litiumi me film të hollë dhe modulator niobati litiumi me film të hollë

Avantazhet dhe rëndësia e niobatit të litiumit me film të hollë në teknologjinë e fotoneve të integruara me mikrovalë

Teknologjia e fotoneve me mikrovalëKa avantazhet e gjerësisë së gjerë të punës, aftësisë së fortë të përpunimit paralel dhe humbjes së ulët të transmetimit, të cilat kanë potencialin të thyejnë bllokimin teknik të sistemit tradicional mikrovalor dhe të përmirësojnë performancën e pajisjeve ushtarake të informacionit elektronik, siç janë radarët, lufta elektronike, komunikimi, matja dhe kontrolli. Megjithatë, sistemi i fotoneve me mikrovalë i bazuar në pajisje diskrete ka disa probleme, të tilla si vëllimi i madh, pesha e rëndë dhe stabiliteti i dobët, të cilat kufizojnë seriozisht zbatimin e teknologjisë së fotoneve me mikrovalë në platformat hapësinore dhe ajrore. Prandaj, teknologjia e integruar e fotoneve me mikrovalë po bëhet një mbështetje e rëndësishme për të thyer zbatimin e fotoneve me mikrovalë në sistemin ushtarak të informacionit elektronik dhe për t'i dhënë mundësi të plota avantazheve të teknologjisë së fotoneve me mikrovalë.

Aktualisht, teknologjia e integrimit fotonik bazuar në SI dhe teknologjia e integrimit fotonik bazuar në INP janë bërë gjithnjë e më të pjekura pas viteve të zhvillimit në fushën e komunikimit optik, dhe shumë produkte janë hedhur në treg. Megjithatë, për aplikimin e fotoneve me mikrovalë, ka disa probleme në këto dy lloje të teknologjive të integrimit të fotoneve: për shembull, koeficienti jolinear elektro-optik i modulatorit Si dhe modulatorit InP është në kundërshtim me linearitetin e lartë dhe karakteristikat e mëdha dinamike të ndjekura nga teknologjia e fotoneve me mikrovalë; Për shembull, çelësi optik i silikonit që realizon ndërrimin e rrugës optike, qoftë i bazuar në efektin termo-optik, efektin piezoelektrik ose efektin e shpërndarjes së injektimit të bartësit, ka problemet e shpejtësisë së ngadaltë të ndërrimit, konsumit të energjisë dhe konsumit të nxehtësisë, të cilat nuk mund të përmbushin skanimin e shpejtë të rrezes dhe aplikimet e fotoneve me mikrovalë në shkallë të madhe.

Niobati i litiumit ka qenë gjithmonë zgjedhja e parë për shpejtësi të lartëmodulimi elektro-optikmateriale për shkak të efektit të tij të shkëlqyer linear elektro-optik. Megjithatë, niobati tradicional i litiumitmodulator elektro-optikËshtë bërë nga material masiv kristalor niobati litiumi, dhe madhësia e pajisjes është shumë e madhe, gjë që nuk mund të përmbushë nevojat e teknologjisë së integruar të fotoneve me mikrovalë. Si të integrohen materialet e niobatit të litiumit me koeficient linear elektro-optik në sistemin e integruar të teknologjisë së fotoneve me mikrovalë është bërë qëllimi i studiuesve përkatës. Në vitin 2018, një ekip kërkimor nga Universiteti i Harvardit në Shtetet e Bashkuara raportoi për herë të parë teknologjinë e integrimit fotonik bazuar në niobatin e litiumit me film të hollë në Nature, sepse teknologjia ka avantazhet e integrimit të lartë, gjerësisë së gjerë të modulimit elektro-optik dhe linearitetit të lartë të efektit elektro-optik, sapo u lançua, ajo menjëherë shkaktoi vëmendjen akademike dhe industriale në fushën e integrimit fotonik dhe fotonikës me mikrovalë. Nga perspektiva e aplikimit të fotoneve me mikrovalë, ky punim shqyrton ndikimin dhe rëndësinë e teknologjisë së integrimit të fotoneve bazuar në niobatin e litiumit me film të hollë në zhvillimin e teknologjisë së fotoneve me mikrovalë.

Material niobati litiumi me film të hollë dhe film i hollëmodulator i niobatit të litiumit
Në dy vitet e fundit, është shfaqur një lloj i ri i materialit të niobatit të litiumit, domethënë, filmi i niobatit të litiumit shqyhet nga kristali masiv i niobatit të litiumit me metodën e "prerjes së joneve" dhe lidhet me pllakëzën Si me një shtresë tampon silici për të formuar materialin LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], i cili në këtë punim quhet material i niobatit të litiumit me film të hollë. Udhëzuesit e valëve me kreshtë me një lartësi prej më shumë se 100 nanometra mund të gdhenden në materiale të niobatit të litiumit me film të hollë me anë të procesit të optimizuar të gdhendjes së thatë, dhe ndryshimi efektiv i indeksit të thyerjes së udhëzuesve të valëve të formuar mund të arrijë më shumë se 0.8 (shumë më i lartë se ndryshimi i indeksit të thyerjes së udhëzuesve tradicionalë të niobatit të litiumit prej 0.02), siç tregohet në Figurën 1. Udhëzuesi i valëve me kufizim të fortë e bën më të lehtë përputhjen e fushës së dritës me fushën e mikrovalëve gjatë projektimit të modulatorit. Kështu, është e dobishme të arrihet tension më i ulët gjysmëvalor dhe gjerësi bande modulimi më e madhe në një gjatësi më të shkurtër.

Shfaqja e valëpërçuesit submikron të niobatit të litiumit me humbje të ulët thyen ngushticën e tensionit të lartë të drejtimit të modulatorit tradicional elektro-optik të niobatit të litiumit. Hapësira e elektrodave mund të reduktohet në ~ 5 μm, dhe mbivendosja midis fushës elektrike dhe fushës së modalitetit optik rritet shumë, dhe vπ ·L zvogëlohet nga më shumë se 20 V·cm në më pak se 2.8 V·cm. Prandaj, nën të njëjtin tension gjysmëvale, gjatësia e pajisjes mund të reduktohet shumë krahasuar me modulatorin tradicional. Në të njëjtën kohë, pas optimizimit të parametrave të gjerësisë, trashësisë dhe intervalit të elektrodës së valës udhëtuese, siç tregohet në figurë, modulatori mund të ketë aftësinë e një bandwidth modulimi ultra të lartë më të madh se 100 GHz.

Fig. 1 (a) shpërndarja e llogaritur e modave dhe (b) imazhi i prerjes tërthore të valëpërçuesit LN

Fig. 2 (a) Struktura e valëpërçuesit dhe elektrodës dhe (b) pllaka kryesore e modulatorit LN

Krahasimi i modulatorëve të niobatit të litiumit me film të hollë me modulatorët tradicionalë komercialë të niobatit të litiumit, modulatorët me bazë silikoni dhe modulatorët e fosfidit të indiumit (InP) dhe modulatorët e tjerë ekzistues elektro-optikë me shpejtësi të lartë, parametrat kryesorë të krahasimit përfshijnë:
(1) Prodhimi i gjatësisë së voltit me gjysmëvalë (vπ ·L, V·cm), që mat efikasitetin e modulimit të modulatorit, sa më e vogël të jetë vlera, aq më e lartë është efikasiteti i modulimit;
(2) Gjerësia e frekuencës së modulimit 3 dB (GHz), e cila mat përgjigjen e modulatorit ndaj modulimit me frekuencë të lartë;
(3) Humbja e futjes optike (dB) në rajonin e modulimit. Nga tabela mund të shihet se modulatori i niobatit të litiumit me film të hollë ka avantazhe të dukshme në gjerësinë e brezit të modulimit, tensionin gjysmëvalor, humbjen e interpolimit optik etj.

Silici, si gurthemeli i optoelektronikës së integruar, është zhvilluar deri më tani, procesi është i pjekur, miniaturizimi i tij është i favorshëm për integrimin në shkallë të gjerë të pajisjeve aktive/pasive, dhe modulatori i tij është studiuar gjerësisht dhe thellësisht në fushën e komunikimit optik. Mekanizmi i modulimit elektro-optik të silicit është kryesisht zvogëlimi i bartësve, injektimi i bartësve dhe akumulimi i bartësve. Midis tyre, gjerësia e brezit të modulatorit është optimale me mekanizmin linear të zvogëlimit të bartësve, por për shkak se shpërndarja e fushës optike mbivendoset me jo-uniformitetin e rajonit të zvogëlimit, ky efekt do të sjellë shtrembërim jolinear të rendit të dytë dhe terma të shtrembërimit të intermodulimit të rendit të tretë, të shoqëruara me efektin e thithjes së bartësit në dritë, gjë që do të çojë në zvogëlimin e amplitudës së modulimit optik dhe shtrembërimit të sinjalit.

Modulatori InP ka efekte të jashtëzakonshme elektro-optike, dhe struktura e pusit kuantik shumështresor mund të realizojë modulatorë me shpejtësi ultra të lartë dhe tension të ulët drejtimi me Vπ·L deri në 0.156V · mm. Megjithatë, ndryshimi i indeksit të thyerjes me fushën elektrike përfshin terma linearë dhe jolinearë, dhe rritja e intensitetit të fushës elektrike do ta bëjë efektin e rendit të dytë të spikatur. Prandaj, modulatorët elektro-optikë të silikonit dhe InP duhet të aplikojnë polarizim për të formuar kryqëzim pn kur punojnë, dhe kryqëzimi pn do të sjellë humbjen e thithjes në dritë. Megjithatë, madhësia e modulatorit të këtyre të dyve është e vogël, madhësia komerciale e modulatorit InP është 1/4 e modulatorit LN. Efikasitet i lartë modulimi, i përshtatshëm për rrjete transmetimi optik dixhital me dendësi të lartë dhe distanca të shkurtra, siç janë qendrat e të dhënave. Efekti elektro-optik i niobatit të litiumit nuk ka mekanizëm thithjeje të dritës dhe humbje të ulët, i cili është i përshtatshëm për rrjete koherente në distanca të gjata.komunikim optikme kapacitet të madh dhe shpejtësi të lartë. Në aplikimin e fotoneve me mikrovalë, koeficientët elektro-optikë të Si dhe InP janë jolinearë, gjë që nuk është e përshtatshme për sistemin e fotoneve me mikrovalë i cili ndjek linearitet të lartë dhe dinamikë të madhe. Materiali i niobatit të litiumit është shumë i përshtatshëm për aplikimin e fotoneve me mikrovalë për shkak të koeficientit të tij plotësisht linear të modulimit elektro-optik.