Интеграцияланган микротолкундуу фотон технологиясында жука пленкалуу литий ниобатынын артыкчылыктары жана мааниси
Микротолкундуу фотон технологиясычоң иштөө жөндөмдүүлүгү, күчтүү параллелдүү иштетүү жөндөмү жана өткөрүү жоготууларынын төмөндүгү сыяктуу артыкчылыктарга ээ, бул салттуу микротолкундуу системанын техникалык тоскоолдуктарын жоюу жана радар, электрондук согуш, байланыш жана өлчөө жана башкаруу сыяктуу аскердик электрондук маалымат жабдууларынын иштешин жакшыртуу мүмкүнчүлүгүнө ээ. Бирок, дискреттик түзүлүштөргө негизделген микротолкундуу фотон системасында чоң көлөм, оор салмак жана начар туруктуулук сыяктуу кээ бир көйгөйлөр бар, бул микротолкундуу фотон технологиясын космостук жана аба платформаларында колдонууну олуттуу чектейт. Ошондуктан, интеграцияланган микротолкундуу фотон технологиясы аскердик электрондук маалымат системасында микротолкундуу фотонду колдонууну токтотуу жана микротолкундуу фотон технологиясынын артыкчылыктарын толук пайдалануу үчүн маанилүү колдоо болуп калууда.
Учурда, оптикалык байланыш тармагындагы көп жылдык өнүгүүдөн кийин, SI негизиндеги фотондук интеграция технологиясы жана INP негизиндеги фотондук интеграция технологиясы барган сайын өнүгүп, рынокко көптөгөн продукциялар чыгарылды. Бирок, микротолкундуу фотонду колдонуу үчүн, бул эки түрдөгү фотондук интеграция технологияларында кээ бир көйгөйлөр бар: мисалы, Si модуляторунун жана InP модуляторунун сызыктуу эмес электро-оптикалык коэффициенти микротолкундуу фотон технологиясы тарабынан көздөлгөн жогорку сызыктуулукка жана чоң динамикалык мүнөздөмөлөргө карама-каршы келет; Мисалы, жылуулук-оптикалык эффектке, пьезоэлектрдик эффектке же алып жүрүүчү инжекциялык дисперсия эффектине негизделген оптикалык жолду которууну ишке ашырган кремний оптикалык которгуч жай которулуу ылдамдыгы, энергияны керектөө жана жылуулукту керектөө көйгөйлөрүнө ээ, бул тез нур сканерлөө жана чоң массивдик масштабдагы микротолкундуу фотон колдонмолоруна жооп бере албайт.
Литий ниобаты ар дайым жогорку ылдамдыктагы биринчи тандоо болуп келгенэлектро-оптикалык модуляцияматериалдары, анткени анын эң сонун сызыктуу электро-оптикалык таасири бар. Бирок, салттуу литий ниобатыэлектро-оптикалык модуляторАл массивдүү литий ниобатынын кристалл материалынан жасалган жана түзмөктүн өлчөмү абдан чоң, бул интеграцияланган микротолкундуу фотон технологиясынын муктаждыктарын канааттандыра албайт. Сызыктуу электро-оптикалык коэффициенти бар литий ниобатынын материалдарын интеграцияланган микротолкундуу фотон технология системасына кантип интеграциялоо тиешелүү изилдөөчүлөрдүн максатына айланды. 2018-жылы АКШдагы Гарвард университетинин изилдөө тобу Nature журналында жука пленкалуу литий ниобатына негизделген фотондук интеграция технологиясын биринчи жолу жарыялашкан, анткени бул технология жогорку интеграция, чоң электро-оптикалык модуляция өткөрүү жөндөмдүүлүгү жана электро-оптикалык эффекттин жогорку сызыктуулугу сыяктуу артыкчылыктарга ээ, ал ишке киргизилгенден кийин дароо фотондук интеграция жана микротолкундуу фотоника жаатында академиялык жана өнөр жайлык көңүлдү бурган. Микротолкундуу фотондорду колдонуу көз карашынан алганда, бул макалада жука пленкалуу литий ниобатына негизделген фотондук интеграция технологиясынын микротолкундуу фотон технологиясынын өнүгүшүнө тийгизген таасири жана мааниси каралат.
Жука пленкалуу литий ниобаты материалы жана жука пленкалитий ниобаты модулятору
Акыркы эки жылда литий ниобаты материалынын жаңы түрү пайда болду, башкача айтканда, литий ниобаты пленкасы массивдүү литий ниобаты кристаллынан "иондук кесүү" ыкмасы менен эксфолиацияланып, кремний диоксидинин буфердик катмары менен Si пластинасына туташтырылып, LNOI (LiNbO3-On-Insulator) материалын түзөт [5], бул макалада ал жука пленкалуу литий ниобаты материалы деп аталат. Бийиктиги 100 нанометрден ашкан кыр толкун өткөргүчтөрүн кургак оюу процессин оптималдаштыруу менен жука пленкалуу литий ниобаты материалдарына оюп түшүрүүгө болот, ал эми пайда болгон толкун өткөргүчтөрдүн эффективдүү сынуу көрсөткүчүнүн айырмасы 0,8ден ашыгыраак болушу мүмкүн (салттуу литий ниобаты толкун өткөргүчтөрүнүн 0,02 сынуу көрсөткүчүнүн айырмасынан алда канча жогору), 1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй. Катуу чектелген толкун өткөргүч модуляторду иштеп чыгууда жарык талаасын микротолкун талаасы менен дал келтирүүнү жеңилдетет. Ошентип, кыска узундукта төмөнкү жарым толкун чыңалуусуна жана чоңураак модуляция өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө жетүү пайдалуу.
Аз жоготуулуу литий ниобатынын субмикрондук толкун өткөргүчүнүн пайда болушу салттуу литий ниобатынын электро-оптикалык модуляторунун жогорку айдоо чыңалуусунун тардыгын жеңет. Электроддордун аралыгы ~ 5 мкмге чейин кыскартылышы мүмкүн, ал эми электр талаасы менен оптикалык режим талаасынын ортосундагы дал келүү бир топ жогорулайт жана vπ ·L 20 В·смден 2,8 В·смден азга чейин төмөндөйт. Ошондуктан, ошол эле жарым толкундуу чыңалууда, түзмөктүн узундугун салттуу модуляторго салыштырмалуу бир топ кыскартууга болот. Ошол эле учурда, сүрөттө көрсөтүлгөндөй, кыймылдуу толкун электродунун туурасы, калыңдыгы жана аралыгы параметрлерин оптималдаштыргандан кийин, модулятор 100 ГГцден ашкан өтө жогорку модуляциялык өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө ээ боло алат.
1-сүрөт (а) эсептелген режимдин бөлүштүрүлүшү жана LN толкун өткөргүчүнүн кесилишинин (б) сүрөтү
Сүрөт 2 (а) Толкун өткөргүчтүн жана электроддун түзүлүшү жана LN модуляторунун (б) өзөк пластинасы
Жука пленкалуу литий ниобатынын модуляторлорун салттуу литий ниобатынын коммерциялык модуляторлору, кремний негизиндеги модуляторлор жана индий фосфиди (InP) модуляторлору жана башка жогорку ылдамдыктагы электро-оптикалык модуляторлор менен салыштырганда, салыштыруунун негизги параметрлери төмөнкүлөрдү камтыйт:
(1) Модулятордун модуляция эффективдүүлүгүн өлчөөчү жарым толкундуу вольт узундугунун көбөйтүндүсү (vπ ·L, V·cm), мааниси канчалык кичине болсо, модуляция эффективдүүлүгү ошончолук жогору болот;
(2) модулятордун жогорку жыштыктагы модуляцияга болгон реакциясын өлчөөчү 3 дБ модуляция өткөрүү жөндөмдүүлүгү (ГГц);
(3) Модуляция аймагындагы оптикалык киргизүү жоготуусу (дБ). Таблицадан көрүнүп тургандай, жука пленкалуу литий ниобаты модулятору модуляция өткөрүү жөндөмдүүлүгүндө, жарым толкундуу чыңалууда, оптикалык интерполяция жоготуусунда жана башкаларда айкын артыкчылыктарга ээ.
Кремний, интеграцияланган оптоэлектрониканын негизи катары, ушул убакка чейин иштелип чыккан, бул процесс жетилген, анын миниатюризациясы активдүү/пассивдүү түзүлүштөрдү кеңири масштабдуу интеграциялоого өбөлгө түзөт жана анын модулятору оптикалык байланыш тармагында кеңири жана терең изилденген. Кремнийдин электро-оптикалык модуляция механизми негизинен алып жүрүүчүнү жок кылуу, алып жүрүүчүнү инъекциялоо жана алып жүрүүчүнү топтоо болуп саналат. Алардын арасында модулятордун өткөрүү жөндөмдүүлүгү сызыктуу даражадагы алып жүрүүчүнү жок кылуу механизми менен оптималдуу, бирок оптикалык талаанын бөлүштүрүлүшү жок кылуу аймагынын бирдей эместиги менен дал келгендиктен, бул эффект сызыктуу эмес экинчи тартиптеги бурмалоону жана үчүнчү тартиптеги интермодуляциялык бурмалоо терминдерин киргизет, ошондой эле алып жүрүүчүнүн жарыкка сиңирүү таасири менен айкалышат, бул оптикалык модуляция амплитудасынын жана сигналдын бурмаланышынын азайышына алып келет.
InP модулятору эң сонун электро-оптикалык эффекттерге ээ, ал эми көп катмарлуу кванттык кудуктун түзүлүшү Vπ·L менен 0,156V·mm чейинки өтө жогорку ылдамдыктагы жана төмөнкү айдоо чыңалуу модуляторлорун ишке ашыра алат. Бирок, электр талаасы менен сынуу көрсөткүчүнүн өзгөрүшү сызыктуу жана сызыктуу эмес терминдерди камтыйт жана электр талаасынын интенсивдүүлүгүнүн жогорулашы экинчи тартиптеги эффектти көрүнүктүү кылат. Ошондуктан, кремний жана InP электро-оптикалык модуляторлору иштегенде pn өткөөлүн түзүү үчүн бир жактуулукту колдонушу керек, ал эми pn өткөөлү жарыкка сиңирүү жоготуусун алып келет. Бирок, бул экөөнүн модуляторунун өлчөмү кичинекей, коммерциялык InP модуляторунун өлчөмү LN модуляторунун 1/4 бөлүгүн түзөт. Жогорку модуляция натыйжалуулугу, маалымат борборлору сыяктуу жогорку тыгыздыктагы жана кыска аралыктагы санариптик оптикалык берүү тармактары үчүн ылайыктуу. Литий ниобатынын электро-оптикалык эффектиси жарыкты сиңирүү механизмине ээ эмес жана жоготуусу аз, бул узак аралыктагы когеренттүү үчүн ылайыктуу.оптикалык байланышчоң кубаттуулукка жана жогорку ылдамдыкка ээ. Микротолкундуу фотондорду колдонууда Si жана InP электро-оптикалык коэффициенттери сызыктуу эмес, бул жогорку сызыктуулукту жана чоң динамиканы көздөгөн микротолкундуу фотон системасы үчүн ылайыктуу эмес. Литий ниобаты материалы толугу менен сызыктуу электро-оптикалык модуляция коэффициентинен улам микротолкундуу фотондорду колдонуу үчүн абдан ылайыктуу.
Жарыяланган убактысы: 2024-жылдын 22-апрели