مدولاتور الکترواپتیکی لیتیوم نیوبات با لایه نازک یکپارچه بالاتر

خطی بودن بالامدولاتور الکترواپتیکیو کاربرد فوتون مایکروویو
با افزایش نیازهای سیستم‌های ارتباطی، به منظور بهبود بیشتر راندمان انتقال سیگنال‌ها، افراد فوتون‌ها و الکترون‌ها را برای دستیابی به مزایای مکمل با هم ترکیب خواهند کرد و فوتونیک مایکروویو متولد خواهد شد. مدولاتور الکترواپتیکی برای تبدیل الکتریسیته به نور مورد نیاز است.سیستم‌های فوتونی مایکروویوو این مرحله کلیدی معمولاً عملکرد کل سیستم را تعیین می‌کند. از آنجا که تبدیل سیگنال فرکانس رادیویی به حوزه نوری یک فرآیند سیگنال آنالوگ است، و معمولیمدولاتورهای الکترواپتیکیاز آنجایی که مدولاسیون‌های الکترواپتیکی ذاتاً غیرخطی هستند، در فرآیند تبدیل، اعوجاج سیگنال جدی وجود دارد. برای دستیابی به مدولاسیون خطی تقریبی، نقطه کار مدولاتور معمولاً در نقطه بایاس متعامد ثابت می‌شود، اما هنوز نمی‌تواند الزامات پیوند فوتون مایکروویو برای خطی بودن مدولاتور را برآورده کند. مدولاتورهای الکترواپتیکی با خطی بودن بالا به شدت مورد نیاز هستند.

مدولاسیون ضریب شکست پرسرعت مواد سیلیکونی معمولاً توسط اثر پراکندگی پلاسمای حامل آزاد (FCD) حاصل می‌شود. هم اثر FCD و هم مدولاسیون پیوند PN غیرخطی هستند، که باعث می‌شود مدولاتور سیلیکونی نسبت به مدولاتور لیتیوم نیوبات کمتر خطی باشد. مواد لیتیوم نیوبات عملکرد بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند.مدولاسیون الکترواپتیکیخواص ناشی از اثر Pucker آنها. در عین حال، ماده لیتیوم نیوبات دارای مزایای پهنای باند وسیع، ویژگی‌های مدولاسیون خوب، تلفات کم، ادغام آسان و سازگاری با فرآیند نیمه‌هادی است، استفاده از لیتیوم نیوبات لایه نازک برای ساخت مدولاتور الکترواپتیکی با کارایی بالا، در مقایسه با سیلیکون تقریباً "صفحه کوتاه" ندارد، بلکه به خطی بودن بالا نیز دست می‌یابد. مدولاتور الکترواپتیکی لیتیوم نیوبات لایه نازک (LNOI) روی عایق به یک جهت توسعه امیدوارکننده تبدیل شده است. با توسعه فناوری آماده‌سازی مواد لیتیوم نیوبات لایه نازک و فناوری حکاکی موجبر، راندمان تبدیل بالا و ادغام بالاتر مدولاتور الکترواپتیکی لیتیوم نیوبات لایه نازک به حوزه دانشگاه و صنعت بین‌المللی تبدیل شده است.

ویژگی‌های لایه نازک لیتیوم نیوبات
در ایالات متحده، برنامه‌ریزی DAP AR ارزیابی زیر را از مواد لیتیوم نیوبات انجام داده است: اگر مرکز انقلاب الکترونیکی به نام ماده سیلیکونی که آن را ممکن ساخته نامگذاری شده باشد، احتمالاً زادگاه انقلاب فوتونیک نیز به نام لیتیوم نیوبات نامگذاری خواهد شد. دلیل این امر این است که لیتیوم نیوبات، اثر الکترواپتیکی، اثر آکوستواپتیکی، اثر پیزوالکتریک، اثر ترموالکتریک و اثر نورشکستی را در یکجا ادغام می‌کند، درست مانند مواد سیلیکونی در زمینه اپتیک.

از نظر ویژگی‌های انتقال نوری، ماده InP به دلیل جذب نور در باند رایج ۱۵۵۰ نانومتر، بیشترین تلفات انتقال روی تراشه را دارد. SiO2 و نیترید سیلیکون بهترین ویژگی‌های انتقال را دارند و تلفات می‌تواند به حدود ۰.۰۱ دسی‌بل بر سانتی‌متر مربع برسد. در حال حاضر، تلفات موجبر موجبر لایه نازک لیتیوم نیوبات می‌تواند به حدود ۰.۰۳ دسی‌بل بر سانتی‌متر مربع برسد و تلفات موجبر لایه نازک لیتیوم نیوبات پتانسیل کاهش بیشتر با بهبود مستمر سطح فناوری در آینده را دارد. بنابراین، ماده لایه نازک لیتیوم نیوبات عملکرد خوبی برای ساختارهای نور غیرفعال مانند مسیر فتوسنتزی، شنت و ریزحلقه نشان خواهد داد.

از نظر تولید نور، فقط InP توانایی انتشار مستقیم نور را دارد؛ بنابراین، برای کاربرد فوتون‌های مایکروویو، لازم است منبع نور مبتنی بر InP را از طریق جوشکاری بارگذاری معکوس یا رشد اپیتاکسیال بر روی تراشه مجتمع فوتونی مبتنی بر LNOI معرفی کرد. از نظر مدولاسیون نور، در بالا تأکید شد که مواد نیوبات لیتیوم لایه نازک، دستیابی به پهنای باند مدولاسیون بزرگتر، ولتاژ نیم موج کمتر و تلفات انتقال کمتر را نسبت به InP و Si آسان‌تر می‌کنند. علاوه بر این، خطی بودن بالای مدولاسیون الکترواپتیکی مواد نیوبات لیتیوم لایه نازک برای همه کاربردهای فوتون مایکروویو ضروری است.

از نظر مسیریابی نوری، پاسخ الکترواپتیکی سریع ماده نیوبات لیتیوم لایه نازک، سوئیچ نوری مبتنی بر LNOI را قادر به سوئیچینگ مسیریابی نوری با سرعت بالا می‌کند و مصرف برق چنین سوئیچینگ پرسرعتی نیز بسیار کم است. برای کاربرد معمول فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه، تراشه شکل‌دهی پرتو کنترل‌شده نوری توانایی سوئیچینگ پرسرعت را برای برآورده کردن نیازهای اسکن سریع پرتو دارد و ویژگی‌های مصرف برق بسیار کم آن به خوبی با الزامات سختگیرانه سیستم آرایه فازی در مقیاس بزرگ سازگار است. اگرچه سوئیچ نوری مبتنی بر InP می‌تواند سوئیچینگ مسیر نوری پرسرعت را نیز محقق کند، اما نویز زیادی ایجاد می‌کند، به خصوص هنگامی که سوئیچ نوری چندسطحی آبشاری باشد، ضریب نویز به طور جدی کاهش می‌یابد. مواد سیلیکون، SiO2 و نیترید سیلیکون فقط می‌توانند مسیرهای نوری را از طریق اثر ترمواپتیکی یا اثر پراکندگی حامل تغییر دهند که معایب آن مصرف برق بالا و سرعت سوئیچینگ آهسته است. هنگامی که اندازه آرایه آرایه فازی بزرگ باشد، نمی‌تواند الزامات مصرف برق را برآورده کند.

از نظر تقویت نوری،تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی (سرویس گرا (SOA)) مبتنی بر InP برای استفاده تجاری به بلوغ رسیده است، اما دارای معایبی مانند ضریب نویز بالا و توان خروجی اشباع پایین است که برای کاربرد فوتون‌های مایکروویو مناسب نیست. فرآیند تقویت پارامتری موجبر لایه نازک لیتیوم نیوبات مبتنی بر فعال‌سازی و وارونگی دوره‌ای می‌تواند به تقویت نوری روی تراشه با نویز کم و توان بالا دست یابد، که می‌تواند به خوبی الزامات فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه برای تقویت نوری روی تراشه را برآورده کند.

از نظر تشخیص نور، لایه نازک لیتیوم نیوبات دارای ویژگی‌های انتقال خوبی به نور در باند 1550 نانومتر است. عملکرد تبدیل فوتوالکتریک قابل تحقق نیست، بنابراین برای کاربردهای فوتون مایکروویو، برای برآورده کردن نیازهای تبدیل فوتوالکتریک روی تراشه، باید واحدهای تشخیص InGaAs یا Ge-Si با جوشکاری بارگذاری معکوس یا رشد اپیتاکسیال روی تراشه‌های مجتمع فوتونی مبتنی بر LNOI معرفی شوند. از نظر اتصال با فیبر نوری، از آنجا که خود فیبر نوری از جنس SiO2 است، میدان مد موجبر SiO2 بالاترین درجه تطابق را با میدان مد فیبر نوری دارد و اتصال راحت‌ترین است. قطر میدان مد موجبر به شدت محدود شده لایه نازک لیتیوم نیوبات حدود 1 میکرومتر است که کاملاً با میدان مد فیبر نوری متفاوت است، بنابراین باید تبدیل نقطه‌ای مد مناسب برای مطابقت با میدان مد فیبر نوری انجام شود.

از نظر ادغام، اینکه آیا مواد مختلف پتانسیل ادغام بالایی دارند یا خیر، عمدتاً به شعاع خمش موجبر (تحت تأثیر محدودیت میدان حالت موجبر) بستگی دارد. موجبر با محدودیت شدید، شعاع خمش کمتری را فراهم می‌کند که برای تحقق ادغام بالا مساعدتر است. بنابراین، موجبرهای لایه نازک لیتیوم نیوبات پتانسیل دستیابی به ادغام بالا را دارند. بنابراین، ظاهر لایه نازک لیتیوم نیوبات این امکان را برای ماده لیتیوم نیوبات فراهم می‌کند که واقعاً نقش "سیلیکون" نوری را ایفا کند. برای کاربرد فوتون‌های مایکروویو، مزایای لایه نازک لیتیوم نیوبات آشکارتر است.