Nazik təbəqəli litium niobat materialı və nazik təbəqəli litium niobat modulyatoru

İnteqrasiya olunmuş mikrodalğalı foton texnologiyasında nazik təbəqəli litium niobatın üstünlükləri və əhəmiyyəti

Mikrodalğalı foton texnologiyasıböyük işləmə bant genişliyi, güclü paralel emal qabiliyyəti və aşağı ötürmə itkisi kimi üstünlüklərə malikdir ki, bu da ənənəvi mikrodalğalı sistemin texniki maneəsini aradan qaldırmaq və radar, elektron müharibə, rabitə və ölçmə və idarəetmə kimi hərbi elektron informasiya avadanlıqlarının işini yaxşılaşdırmaq potensialına malikdir. Bununla belə, diskret cihazlara əsaslanan mikrodalğalı foton sisteminin böyük həcm, ağır çəki və zəif stabillik kimi bəzi problemləri var ki, bu da mikrodalğalı foton texnologiyasının kosmik və hava platformalarında tətbiqini ciddi şəkildə məhdudlaşdırır. Buna görə də, inteqrasiya olunmuş mikrodalğalı foton texnologiyası hərbi elektron informasiya sistemində mikrodalğalı fotonun tətbiqini aradan qaldırmaq və mikrodalğalı foton texnologiyasının üstünlüklərindən tam istifadə etmək üçün vacib bir dəstəyə çevrilir.

Hazırda, SI əsaslı fotonik inteqrasiya texnologiyası və INP əsaslı fotonik inteqrasiya texnologiyası optik rabitə sahəsində illərdir davam edən inkişafdan sonra getdikcə daha da inkişaf etmiş və bazara bir çox məhsul çıxarılmışdır. Lakin, mikrodalğalı fotonun tətbiqi üçün bu iki növ foton inteqrasiya texnologiyasında bəzi problemlər mövcuddur: məsələn, Si modulyatorunun və InP modulyatorunun qeyri-xətti elektro-optik əmsalı mikrodalğalı foton texnologiyasının izlədiyi yüksək xəttilik və böyük dinamik xüsusiyyətlərə ziddir; Məsələn, istilik-optik effekt, pyezoelektrik effekt və ya daşıyıcı inyeksiya dispersiya effektinə əsaslanaraq optik yol keçidini həyata keçirən silikon optik açar, sürətli şüa skanlama və geniş massiv miqyaslı mikrodalğalı foton tətbiqlərinə cavab verə bilməyən yavaş keçid sürəti, enerji istehlakı və istilik istehlakı problemlərinə malikdir.

Litium niobatı həmişə yüksək sürət üçün ilk seçim olubelektro-optik modulyasiyaəla xətti elektro-optik təsirinə görə materiallar. Lakin, ənənəvi litium niobatıelektro-optik modulyatorkütləvi litium niobat kristal materialından hazırlanır və cihazın ölçüsü çox böyükdür ki, bu da inteqrasiya olunmuş mikrodalğalı foton texnologiyasının ehtiyaclarını ödəyə bilmir. Xətti elektro-optik əmsallı litium niobat materiallarının inteqrasiya olunmuş mikrodalğalı foton texnologiyası sisteminə necə inteqrasiya edilməsi müvafiq tədqiqatçıların hədəfinə çevrilib. 2018-ci ildə ABŞ-dakı Harvard Universitetinin tədqiqat qrupu ilk dəfə Nature jurnalında nazik təbəqəli litium niobata əsaslanan fotonik inteqrasiya texnologiyasını təqdim etdi, çünki texnologiya yüksək inteqrasiya, böyük elektro-optik modulyasiya bant genişliyi və yüksək xətti elektro-optik effekt üstünlüklərinə malikdir və işə salındıqdan sonra dərhal fotonik inteqrasiya və mikrodalğalı fotonika sahəsində akademik və sənaye diqqətini cəlb etdi. Mikrodalğalı foton tətbiqi baxımından bu məqalədə nazik təbəqəli litium niobata əsaslanan foton inteqrasiya texnologiyasının mikrodalğalı foton texnologiyasının inkişafına təsiri və əhəmiyyəti nəzərdən keçirilir.

Nazik təbəqəli litium niobat materialı və nazik təbəqəlitium niobat modulyatoru
Son iki ildə yeni bir litium niobat materialı ortaya çıxmışdır, yəni litium niobat filmi kütləvi litium niobat kristalından "ion dilimləmə" üsulu ilə soyulur və silisium bufer təbəqəsi ilə Si lövhəsinə birləşdirilərək LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materialı əmələ gətirir [5], bu məqalədə buna nazik təbəqəli litium niobat materialı deyilir. Hündürlüyü 100 nanometrdən çox olan silsilə dalğa bələdçiləri optimallaşdırılmış quru aşındırma prosesi ilə nazik təbəqəli litium niobat materiallarına həkk edilə bilər və əmələ gələn dalğa bələdçilərinin effektiv qırılma indeksi fərqi Şəkil 1-də göstərildiyi kimi 0,8-dən çoxa çata bilər (ənənəvi litium niobat dalğa bələdçilərinin 0,02 qırılma indeksi fərqindən daha yüksəkdir). Güclü məhdudlaşdırılmış dalğa bələdçisi modulyatoru dizayn edərkən işıq sahəsini mikrodalğalı sahə ilə uyğunlaşdırmağı asanlaşdırır. Beləliklə, daha qısa uzunluqda daha aşağı yarımdalğa gərginliyinə və daha böyük modulyasiya bant genişliyinə nail olmaq faydalıdır.

Aşağı itkili litium niobat submikron dalğa ötürücüsünün görünüşü ənənəvi litium niobat elektro-optik modulyatorunun yüksək sürücülük gərginliyinin darboğazını aradan qaldırır. Elektrod aralığı ~ 5 μm-ə qədər azaldıla bilər və elektrik sahəsi ilə optik rejim sahəsi arasındakı üst-üstə düşmə xeyli artır və vπ ·L 20 V·sm-dən çoxdan 2,8 V·sm-dən aza qədər azalır. Buna görə də, eyni yarımdalğa gərginliyi altında cihazın uzunluğu ənənəvi modulyatorla müqayisədə xeyli azaldıla bilər. Eyni zamanda, şəkildə göstərildiyi kimi, hərəkət edən dalğa elektrodunun eni, qalınlığı və intervalının parametrlərini optimallaşdırdıqdan sonra modulyator 100 GHz-dən çox ultra yüksək modulyasiya bant genişliyinə malik ola bilər.

Şəkil 1 (a) hesablanmış rejim paylanması və LN dalğaötürücüsünün en kəsiyinin (b) təsviri

Şəkil 2 (a) LN modulyatorunun dalğaötürücüsü və elektrod quruluşu və (b) nüvə lövhəsi

Nazik təbəqəli litium niobat modulyatorlarının ənənəvi litium niobat kommersiya modulyatorları, silikon əsaslı modulyatorlar və indium fosfid (InP) modulyatorları və digər mövcud yüksək sürətli elektro-optik modulyatorlarla müqayisəsi zamanı əsas müqayisə parametrlərinə aşağıdakılar daxildir:
(1) Modulyatorun modulyasiya səmərəliliyini ölçən yarımdalğalı volt uzunluğu hasili (vπ ·L, V·cm), dəyər nə qədər kiçikdirsə, modulyasiya səmərəliliyi də bir o qədər yüksəkdir;
(2) Modulyatorun yüksək tezlikli modulyasiyaya cavabını ölçən 3 dB modulyasiya zolağı (GHz);
(3) Modulyasiya bölgəsində optik daxiletmə itkisi (dB). Cədvəldən göründüyü kimi, nazik təbəqəli litium niobat modulyatoru modulyasiya bant genişliyi, yarımdalğa gərginliyi, optik interpolasiya itkisi və s. kimi sahələrdə aşkar üstünlüklərə malikdir.

İnteqrasiya olunmuş optoelektronikanın təməl daşı olan silisium indiyə qədər inkişaf etdirilib, proses yetkinləşib, onun miniatürləşməsi aktiv/passiv cihazların genişmiqyaslı inteqrasiyasına əlverişlidir və modulyatoru optik rabitə sahəsində geniş və dərindən öyrənilib. Silisiumun elektro-optik modulyasiya mexanizmi əsasən daşıyıcının tükənməsi, daşıyıcının yeridilməsi və daşıyıcının toplanmasıdır. Bunların arasında modulyatorun bant genişliyi xətti dərəcə daşıyıcının tükənməsi mexanizmi ilə optimaldır, lakin optik sahənin paylanması tükənmə bölgəsinin qeyri-bərabərliyi ilə üst-üstə düşdüyü üçün bu təsir daşıyıcının işığa udma təsiri ilə birlikdə qeyri-xətti ikinci dərəcəli təhrif və üçüncü dərəcəli intermodulyasiya təhrif şərtlərini tətbiq edəcək ki, bu da optik modulyasiya amplitüdünün və siqnal təhrifinin azalmasına səbəb olacaq.

InP modulyatoru görkəmli elektro-optik effektlərə malikdir və çoxqatlı kvant quyusu strukturu 0.156V · mm-ə qədər Vπ·L ilə ultra yüksək sürətli və aşağı sürücülük gərginliyi modulyatorlarını həyata keçirə bilər. Bununla belə, elektrik sahəsi ilə refraktiv indeksin dəyişməsi xətti və qeyri-xətti terminləri əhatə edir və elektrik sahəsinin intensivliyinin artması ikinci dərəcəli effekti nəzərəçarpan edəcək. Buna görə də, silikon və InP elektro-optik modulyatorları işləyərkən pn qovşağı yaratmaq üçün qərəz tətbiq etməlidirlər və pn qovşağı işığa udma itkisi gətirəcək. Lakin, bu ikisinin modulyator ölçüsü kiçikdir, kommersiya InP modulyator ölçüsü LN modulyatorunun 1/4-dür. Yüksək modulyasiya səmərəliliyi, məlumat mərkəzləri kimi yüksək sıxlıqlı və qısa məsafəli rəqəmsal optik ötürmə şəbəkələri üçün uyğundur. Litium niobatın elektro-optik effekti işıq udma mexanizminə və aşağı itkiyə malikdir, bu da uzun məsafəli koherent üçün uyğundur.optik rabitəböyük tutum və yüksək sürət ilə. Mikrodalğalı foton tətbiqində Si və InP-nin elektro-optik əmsalları qeyri-xətti olur ki, bu da yüksək xəttilik və böyük dinamika izləyən mikrodalğalı foton sistemi üçün uyğun deyil. Litium niobat materialı tamamilə xətti elektro-optik modulyasiya əmsalına görə mikrodalğalı foton tətbiqi üçün çox uyğundur.