Интегральләштерелгән микродулкынлы фотон технологиясендә юка пленкалы литий ниобатының өстенлекләре һәм әһәмияте
Микродулкынлы фотон технологиясезур эш полосасы киңлеге, көчле параллель эшкәртү сәләте һәм түбән тапшыру югалтулары кебек өстенлекләргә ия, бу традицион микродулкынлы системаның техник киртәсен бетерергә һәм радар, электрон сугыш, элемтә һәм үлчәү һәм контроль кебек хәрби электрон мәгълүмат җиһазларының эшчәнлеген яхшыртырга мөмкинлек бирә. Ләкин, дискрет җайланмаларга нигезләнгән микродулкынлы фотон системасы зур күләм, авыр авырлык һәм начар тотрыклылык кебек проблемаларга ия, алар микродулкынлы фотон технологиясен космик һәм һава платформаларында куллануны җитди чикли. Шуңа күрә, интеграцияләнгән микродулкынлы фотон технологиясе хәрби электрон мәгълүмат системасында микродулкынлы фотон куллануны бетерү һәм микродулкынлы фотон технологиясенең өстенлекләрен тулысынча куллану өчен мөһим ярдәмгә әйләнә.
Хәзерге вакытта, оптик элемтә өлкәсендә еллар дәвамында үсеш алганнан соң, SI нигезендәге фотоник интеграция технологиясе һәм INP нигезендәге фотоник интеграция технологиясе барган саен өлгерде, һәм базарга күп кенә продуктлар чыгарылды. Ләкин, микродулкынлы фотон куллану өчен, бу ике төр фотон интеграция технологиясендә кайбер проблемалар бар: мәсәлән, Si модуляторы һәм InP модуляторының сызыклы булмаган электро-оптик коэффициенты микродулкынлы фотон технологиясе тарафыннан кузгатылган югары сызыклылыкка һәм зур динамик үзенчәлекләргә каршы килә; Мәсәлән, термик-оптик эффект, пьезоэлектрик эффект яки йөртүче инъекция дисперсия эффекты нигезендә оптик юлны алыштыруны гамәлгә ашыра торган кремний оптик ачкычы әкрен алыштыру тизлеге, энергия куллану һәм җылылык куллану проблемаларына ия, бу тиз нур сканерлау һәм зур массив масштаблы микродулкынлы фотон кушымталарын канәгатьләндерә алмый.
Литий ниобаты һәрвакыт югары тизлек өчен беренче сайлау булып тораэлектро-оптик модуляцияматериаллар, чөнки аның бик яхшы сызыклы электро-оптик эффекты бар. Ләкин, традицион литий ниобатыэлектро-оптик модуляторлитий ниобаты кристалл материалыннан ясалган, һәм җайланманың зурлыгы бик зур, бу интеграцияләнгән микродулкынлы фотон технологиясе ихтыяҗларын канәгатьләндерә алмый. Сызыклы электро-оптик коэффициентлы литий ниобаты материалларын интеграцияләнгән микродулкынлы фотон технологиясе системасына ничек интеграцияләү тиешле тикшеренүчеләрнең максатына әйләнде. 2018 елда АКШның Гарвард университетының тикшеренү төркеме беренче тапкыр Nature журналында юка пленкалы литий ниобаты нигезендә фотон интеграцияләү технологиясе турында хәбәр итте, чөнки технология югары интеграция, зур электро-оптик модуляция полосасы киңлеге һәм югары сызыклы электро-оптик эффект өстенлекләренә ия, ул эшләтеп җибәрелгәннән соң, фотон интеграциясе һәм микродулкынлы фотоника өлкәсендә академик һәм сәнәгать игътибарын җәлеп итте. Микродулкынлы фотон куллану ягыннан, бу мәкаләдә юка пленкалы литий ниобаты нигезендә фотон интеграцияләү технологиясенең микродулкынлы фотон технологиясе үсешенә йогынтысы һәм әһәмияте карала.
Нечкә пленкалы литий ниобаты материалы һәм нечкә пленкалитий ниобаты модуляторы
Соңгы ике елда литий ниобаты материалының яңа төре барлыкка килде, ягъни литий ниобаты пленкасы массив литий ниобаты кристаллыннан "ион кисү" ысулы белән эксфолиацияләнә һәм кремний диоксиды буфер катламы белән Si пластинасына тоташтырылып, LNOI (LiNbO3-On-Insulator) материалы барлыкка килә [5], бу мәкаләдә ул юка пленкалы литий ниобаты материалы дип атала. 100 нанометрдан артык биеклектәге кыр дулкын үткәргечләрен юка пленкалы литий ниобаты материалларына коры эшкәртү процессы белән оптимальләштерелергә мөмкин, һәм барлыкка килгән дулкын үткәргечләренең нәтиҗәле сыну күрсәткече аермасы 0,8 дән артыкка җитәргә мөмкин (традицион литий ниобаты дулкын үткәргечләренең сыну күрсәткече аермасыннан 0,02 күпкә югарырак), 1 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә. Көчле чикләнгән дулкын үткәргече модуляторны эшләгәндә яктылык кырын микродулкын кыры белән туры китерүне җиңеләйтә. Шулай итеп, кыскарак озынлыкта түбәнрәк ярты дулкын көчәнешенә һәм зуррак модуляция полосасына ирешү файдалы.
Түбән югалтулы литий ниобаты субмикрон дулкын үткәргеченең барлыкка килүе традицион литий ниобаты электро-оптик модуляторының югары йөртү көчәнешенең тарлыгын бетерә. Электрод арасын ~ 5 мкм га кадәр киметергә мөмкин, һәм электр кыры белән оптик режим кыры арасындагы каплану шактый арта, һәм vπ ·L 20 В·см дан 2,8 В·см га кадәр кими. Шуңа күрә, шул ук ярты дулкын көчәнеше астында, җайланманың озынлыгын традицион модулятор белән чагыштырганда шактый киметергә мөмкин. Шул ук вакытта, рәсемдә күрсәтелгәнчә, хәрәкәт итүче дулкын электродының киңлеге, калынлыгы һәм интервалы параметрларын оптимальләштергәннән соң, модулятор 100 ГГц дан артык ультра югары модуляция полосасы мөмкинлегенә ия була ала.
1 нче рәсем (а) исәпләнгән режим бүленеше һәм LN дулкын үткәргеченең кисемтәсенең (б) рәсеме
2 нче рәсем (а) LN модуляторының дулкын үткәргече һәм электрод структурасы һәм (б) үзәк пластинасы
Юкка пленкалы литий ниобаты модуляторларын традицион литий ниобаты коммерция модуляторлары, кремний нигезендәге модуляторлар һәм индий фосфиды (InP) модуляторлары һәм башка югары тизлекле электро-оптик модуляторлар белән чагыштырганда, чагыштыруның төп параметрлары түбәндәгеләрне үз эченә ала:
(1) Ярым дулкынлы вольт озынлыгы тапкырламасы (vπ ·L, V·cm), модуляторның модуляция нәтиҗәлелеген үлчәү, кыйммәт кечерәк булган саен, модуляция нәтиҗәлелеге югарырак була;
(2) 3 дБ модуляция полосасы киңлеге (ГГц), ул модуляторның югары ешлыклы модуляциягә җавабын үлчи;
(3) Модуляция өлкәсендә оптик кертү югалтуы (дБ). Таблицадан күренгәнчә, юка пленкалы литий ниобаты модуляторы модуляция полосасы киңлегендә, ярты дулкын көчәнешендә, оптик интерполяция югалтуында һ.б. ачык өстенлекләргә ия.
Кремний, интеграль оптоэлектрониканың нигез ташы буларак, әлегә кадәр эшләнгән, процесс өлгергән, аның миниатюризациясе актив/пассив җайланмаларны киң масштаблы интеграцияләүгә ярдәм итә, һәм аның модуляторы оптик элемтә өлкәсендә киң һәм тирән өйрәнелгән. Кремнийның электро-оптик модуляция механизмы, нигездә, ташучыны киметү, ташучыны инъекцияләү һәм ташучыны туплау. Алар арасында модуляторның полоса киңлеге сызыклы дәрәҗәдәге ташучыны киметү механизмы белән оптималь, ләкин оптик кыр бүленеше киметү өлкәсенең тигез булмавы белән капланганлыктан, бу эффект сызыклы булмаган икенче дәрәҗәдәге бозылу һәм өченче дәрәҗәдәге интермодуляция бозылу терминнарын кертәчәк, ташучының яктылыкка сеңдерү эффекты белән берлектә, бу оптик модуляция амплитудасының һәм сигнал бозылуының кимүенә китерәчәк.
InP модуляторы электро-оптик эффектларга ия, һәм күп катламлы квант коесы структурасы Vπ·L белән 0,156V·mm кадәр ультра югары тизлекле һәм түбән йөртү көчәнеше модуляторларын гамәлгә ашыра ала. Ләкин, электр кыры белән сыну күрсәткече үзгәрүе сызыклы һәм сызыклы булмаган терминнарны үз эченә ала, һәм электр кыры интенсивлыгы арту икенче дәрәҗәдәге эффектны күренекле итәчәк. Шуңа күрә, кремний һәм InP электро-оптик модуляторлары эшләгәндә pn тоташуын формалаштыру өчен тайпылыш кулланырга тиеш, һәм pn тоташу яктылыкка абсорбция югалтуларын китерәчәк. Ләкин, бу ике модуляторның зурлыгы кечкенә, коммерция InP модуляторының зурлыгы LN модуляторының 1/4 өлешен тәшкил итә. Югары модуляция нәтиҗәлелеге, мәгълүмат үзәкләре кебек югары тыгызлыктагы һәм кыска арадагы цифрлы оптик тапшыру челтәрләре өчен яраклы. Литий ниобатының электро-оптик эффекты яктылык абсорбция механизмына ия түгел һәм түбән югалтуларга ия, бу озын арадагы когерент тоташу өчен яраклы.оптик элемтәзур сыйдырышлылык һәм югары тизлек белән. Микродулкынлы фотон куллануда Si һәм InP электро-оптик коэффициентлары сызыклы түгел, бу югары сызыклылык һәм зур динамикага омтылучы микродулкынлы фотон системасы өчен яраклы түгел. Литий ниобаты материалы тулысынча сызыклы электро-оптик модуляция коэффициенты аркасында микродулкынлы фотон куллану өчен бик яраклы.
Бастырып чыгару вакыты: 2024 елның 22 апреле