Integratsiyalashgan mikroto'lqinli foton texnologiyasida yupqa plyonkali lityum niobatning afzalliklari va ahamiyati
Mikroto'lqinli foton texnologiyasikatta ishchi o'tkazish qobiliyati, kuchli parallel ishlov berish qobiliyati va past uzatish yo'qotishlari kabi afzalliklarga ega, bu an'anaviy mikroto'lqinli tizimning texnik to'siqlarini bartaraf etish va radar, elektron urush, aloqa va o'lchash va boshqarish kabi harbiy elektron axborot uskunalarining ish faoliyatini yaxshilash imkoniyatiga ega. Biroq, diskret qurilmalarga asoslangan mikroto'lqinli foton tizimida katta hajm, og'irlik va yomon barqarorlik kabi ba'zi muammolar mavjud bo'lib, ular mikroto'lqinli foton texnologiyasini kosmik va havo platformalarida qo'llashni jiddiy ravishda cheklaydi. Shuning uchun, integratsiyalashgan mikroto'lqinli foton texnologiyasi harbiy elektron axborot tizimida mikroto'lqinli fotonni qo'llashni to'xtatish va mikroto'lqinli foton texnologiyasining afzalliklaridan to'liq foydalanish uchun muhim yordamga aylanmoqda.
Hozirgi vaqtda SI asosidagi fotonik integratsiya texnologiyasi va INP asosidagi fotonik integratsiya texnologiyasi optik aloqa sohasidagi yillar davomidagi rivojlanishdan so'ng tobora rivojlanib bormoqda va bozorga ko'plab mahsulotlar chiqarildi. Biroq, mikroto'lqinli fotonni qo'llash uchun ushbu ikki turdagi foton integratsiya texnologiyalarida ba'zi muammolar mavjud: masalan, Si modulyatori va InP modulyatorining chiziqli bo'lmagan elektro-optik koeffitsienti mikroto'lqinli foton texnologiyasi tomonidan ta'qib qilinadigan yuqori chiziqlilik va katta dinamik xususiyatlarga ziddir; Masalan, termal-optik effekt, pyezoelektrik effekt yoki tashuvchi in'ektsiya dispersiyasi effektiga asoslangan holda optik yo'lni almashtirishni amalga oshiradigan kremniy optik kaliti sekin almashtirish tezligi, quvvat sarfi va issiqlik sarfi muammolariga ega, bu esa tez nurni skanerlash va katta massivli mikroto'lqinli foton ilovalarini qondira olmaydi.
Lityum niobati har doim yuqori tezlik uchun birinchi tanlov bo'lib kelganelektro-optik modulyatsiyaajoyib chiziqli elektro-optik ta'siri tufayli materiallar. Biroq, an'anaviy lityum niobatielektro-optik modulyatorulkan lityum niobat kristalli materialidan tayyorlangan va qurilma hajmi juda katta, bu esa integratsiyalashgan mikroto'lqinli foton texnologiyasi ehtiyojlarini qondira olmaydi. Lityum niobat materiallarini chiziqli elektro-optik koeffitsientli integratsiyalashgan mikroto'lqinli foton texnologiyasi tizimiga qanday integratsiya qilish tegishli tadqiqotchilarning maqsadiga aylandi. 2018-yilda Qo'shma Shtatlardagi Garvard universitetining tadqiqot guruhi birinchi marta Nature jurnalida yupqa plyonkali lityum niobatga asoslangan fotonik integratsiya texnologiyasi haqida xabar berishdi, chunki texnologiya yuqori integratsiya, katta elektro-optik modulyatsiya o'tkazish qobiliyati va elektro-optik effektning yuqori chiziqliligi kabi afzalliklarga ega, ishga tushirilgandan so'ng darhol fotonik integratsiya va mikroto'lqinli fotonika sohasida akademik va sanoat e'tiborini tortdi. Mikroto'lqinli fotonlarni qo'llash nuqtai nazaridan, ushbu maqolada yupqa plyonkali lityum niobatga asoslangan foton integratsiya texnologiyasining mikroto'lqinli foton texnologiyasini rivojlantirishga ta'siri va ahamiyati ko'rib chiqiladi.
Yupqa plyonkali lityum niobat materiali va yupqa plyonkalityum niobat modulyatori
So'nggi ikki yil ichida yangi turdagi lityum niobat materiali paydo bo'ldi, ya'ni lityum niobat plyonkasi massiv lityum niobat kristalidan "ion kesish" usuli bilan eksfoliatsiya qilinadi va silika bufer qatlami bilan Si plastinkasiga bog'lanib, LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materialini hosil qiladi [5], bu maqolada yupqa plyonkali lityum niobat materiali deb ataladi. Balandligi 100 nanometrdan ortiq bo'lgan tizma to'lqin yo'riqnomalari optimallashtirilgan quruq o'yish jarayoni orqali yupqa plyonkali lityum niobat materiallariga o'yilgan bo'lishi mumkin va hosil bo'lgan to'lqin yo'riqnomalarining samarali sinish ko'rsatkichi farqi 0,8 dan oshishi mumkin (an'anaviy lityum niobat to'lqin yo'riqnomalarining sinish ko'rsatkichi farqi 0,02 dan ancha yuqori), 1-rasmda ko'rsatilganidek. Kuchli cheklangan to'lqin yo'riqnomasi modulyatorni loyihalashda yorug'lik maydonini mikroto'lqin maydoni bilan moslashtirishni osonlashtiradi. Shunday qilib, qisqa uzunlikda pastroq yarim to'lqin kuchlanishiga va kattaroq modulyatsiya o'tkazish qobiliyatiga erishish foydalidir.
Kam yo'qotishli lityum niobat submikron to'lqin yo'riqnomasining paydo bo'lishi an'anaviy lityum niobat elektro-optik modulyatorining yuqori haydash kuchlanishidagi to'siqni buzadi. Elektrod oralig'ini ~ 5 mkm gacha qisqartirish mumkin va elektr maydoni va optik rejim maydoni o'rtasidagi qoplama sezilarli darajada oshadi va vπ ·L 20 V·sm dan 2,8 V·sm dan kamroqqa kamayadi. Shuning uchun, bir xil yarim to'lqinli kuchlanish ostida, an'anaviy modulyatorga nisbatan qurilma uzunligini sezilarli darajada kamaytirish mumkin. Shu bilan birga, rasmda ko'rsatilgandek, harakatlanuvchi to'lqin elektrodining kengligi, qalinligi va oralig'i parametrlarini optimallashtirgandan so'ng, modulyator 100 gigagertsdan yuqori ultra yuqori modulyatsiya o'tkazish qobiliyatiga ega bo'lishi mumkin.
1-rasm (a) hisoblangan rejim taqsimoti va LN to'lqin yo'riqnomasining kesimining (b) tasviri
2-rasm (a) LN modulyatorining to'lqin yo'nalishi va elektrod tuzilishi va (b) yadro plitasi
Yupqa plyonkali lityum niobat modulyatorlarini an'anaviy lityum niobat tijorat modulyatorlari, kremniy asosidagi modulyatorlar va indiy fosfid (InP) modulyatorlari va boshqa mavjud yuqori tezlikdagi elektro-optik modulyatorlar bilan taqqoslashda asosiy taqqoslash parametrlari quyidagilarni o'z ichiga oladi:
(1) Yarim to'lqinli volt uzunligi ko'paytma (vπ ·L, V·cm), modulyatorning modulyatsiya samaradorligini o'lchaydi, qiymat qanchalik kichik bo'lsa, modulyatsiya samaradorligi shuncha yuqori bo'ladi;
(2) 3 dB modulyatsiya o'tkazish qobiliyati (GHz), bu modulyatorning yuqori chastotali modulyatsiyaga javobini o'lchaydi;
(3) Modulyatsiya sohasida optik qo'shish yo'qotishi (dB). Jadvaldan ko'rinib turibdiki, yupqa plyonkali lityum niobat modulyatori modulyatsiya o'tkazish qobiliyati, yarim to'lqinli kuchlanish, optik interpolyatsiya yo'qotishi va boshqalarda aniq afzalliklarga ega.
Integratsiyalashgan optoelektronikaning asosi sifatida kremniy hozirgacha ishlab chiqilgan, jarayon yetuk, uning miniatyuralanishi faol/passiv qurilmalarning keng ko'lamli integratsiyasiga yordam beradi va uning modulyatori optik aloqa sohasida keng va chuqur o'rganilgan. Kremniyning elektro-optik modulyatsiya mexanizmi asosan tashuvchining kamayishi, tashuvchini in'ektsiya qilish va tashuvchini to'plashdan iborat. Ular orasida modulyatorning o'tkazish qobiliyati chiziqli darajali tashuvchining kamayishi mexanizmi bilan optimaldir, ammo optik maydon taqsimoti kamayish mintaqasining notekisligi bilan mos kelganligi sababli, bu ta'sir chiziqli bo'lmagan ikkinchi darajali buzilish va uchinchi darajali intermodulyatsiya buzilish atamalarini keltirib chiqaradi, shuningdek, tashuvchining yorug'likka yutilish ta'siri bilan birlashadi, bu esa optik modulyatsiya amplitudasi va signal buzilishining pasayishiga olib keladi.
InP modulyatori ajoyib elektro-optik effektlarga ega va ko'p qatlamli kvant quduqlari tuzilishi Vπ·L ga 0,156V·mm gacha bo'lgan ultra yuqori tezlikdagi va past haydash kuchlanish modulyatorlarini amalga oshirishi mumkin. Biroq, elektr maydoni bilan sinish indeksining o'zgarishi chiziqli va chiziqli bo'lmagan atamalarni o'z ichiga oladi va elektr maydoni intensivligining ortishi ikkinchi darajali effektni sezilarli qiladi. Shuning uchun, kremniy va InP elektro-optik modulyatorlari ishlayotganda pn birikmasini hosil qilish uchun tarafkashlikni qo'llashlari kerak va pn birikmasi yorug'likka yutilish yo'qotilishini keltirib chiqaradi. Biroq, bu ikkalasining modulyator hajmi kichik, tijorat InP modulyator hajmi LN modulyatorining 1/4 qismiga teng. Yuqori modulyatsiya samaradorligi, ma'lumotlar markazlari kabi yuqori zichlikdagi va qisqa masofali raqamli optik uzatish tarmoqlari uchun mos keladi. Litiy niobatning elektro-optik effekti yorug'likni yutilish mexanizmiga ega emas va past yo'qotishga ega, bu uzoq masofali kogerent uchun mos keladi.optik aloqakatta sig'im va yuqori tezlik bilan. Mikroto'lqinli foton qo'llanilishida Si va InP ning elektro-optik koeffitsientlari chiziqli emas, bu yuqori chiziqlilik va katta dinamikaga intiladigan mikroto'lqinli foton tizimi uchun mos emas. Litiy niobat materiali to'liq chiziqli elektro-optik modulyatsiya koeffitsienti tufayli mikroto'lqinli foton qo'llanilishi uchun juda mos keladi.
Nashr vaqti: 2024-yil 22-aprel