مقدمهای بر ساختار و عملکردمدولاتور الکترواپتیکی فیلم نازک لیتیوم نیوبات
An مدولاتور الکترواپتیکیبر اساس ساختارها، طول موجها و پلتفرمهای مختلف لایه نازک لیتیوم نیوبات، و مقایسه جامع عملکرد انواع مختلفمدولاتورهای EOMو همچنین تحلیلی از تحقیق و کاربرد آنمدولاتورهای لایه نازک لیتیوم نیوباتدر زمینههای دیگر.
۱. مدولاتور نیوبات لیتیوم لایه نازک حفرهای غیر رزونانسی
این نوع مدولاتور بر اساس اثر الکترواپتیکی عالی کریستال لیتیوم نیوبات ساخته شده است و وسیلهای کلیدی برای دستیابی به ارتباطات نوری پرسرعت و دوربرد است. سه ساختار اصلی وجود دارد:
۱.۱ مدولاتور MZI با الکترود موج سیار: این رایجترین طراحی است. گروه تحقیقاتی Lon č ar در دانشگاه هاروارد ابتدا در سال ۲۰۱۸ به یک نسخه با کارایی بالا دست یافت و پیشرفتهای بعدی شامل بارگذاری خازنی مبتنی بر زیرلایههای کوارتز (پهنای باند بالا اما ناسازگار با زیرلایههای سیلیکونی) و سازگار با زیرلایههای سیلیکونی مبتنی بر توخالیسازی زیرلایه، دستیابی به پهنای باند بالا (بیش از ۶۷ گیگاهرتز) و انتقال سیگنال پرسرعت (مانند PAM4 با سرعت ۱۱۲ گیگابیت بر ثانیه) را به همراه داشت.
۱.۲ مدولاتور MZI تاشو: به منظور کاهش اندازه دستگاه و سازگاری با ماژولهای فشرده مانند QSFP-DD، از عملیات قطبش، موجبر متقاطع یا الکترودهای ریزساختار معکوس برای کاهش طول دستگاه به نصف و دستیابی به پهنای باند ۶۰ گیگاهرتز استفاده میشود.
۱.۳ مدولاتور متعامد همدوس تک/دوقطبی (IQ): از فرمت مدولاسیون مرتبه بالا برای افزایش نرخ انتقال استفاده میکند. گروه تحقیقاتی کای در دانشگاه سان یات سن در سال ۲۰۲۰ به اولین مدولاتور IQ تکقطبی روی تراشه دست یافت. مدولاتور IQ دوقطبی که در آینده توسعه مییابد، عملکرد بهتری دارد و نسخه مبتنی بر زیرلایه کوارتز، رکورد نرخ انتقال تک طول موج ۱.۹۶ ترابیت بر ثانیه را ثبت کرده است.
۲. مدولاتور نیوبات لیتیوم لایه نازک از نوع حفره رزونانسی
برای دستیابی به مدولاتورهای پهنای باند بسیار کوچک و بزرگ، ساختارهای حفره رزونانسی مختلفی موجود است:
۲.۱ کریستال فوتونی (PC) و مدولاتور حلقه میکرو: گروه تحقیقاتی لین در دانشگاه روچستر اولین مدولاتور کریستال فوتونی با کارایی بالا را توسعه داده است. علاوه بر این، مدولاتورهای حلقه میکرو مبتنی بر ادغام ناهمگن سیلیکون لیتیوم نیوبات و ادغام همگن نیز پیشنهاد شدهاند که به پهنای باند چندین گیگاهرتز دست مییابند.
۲.۲ مدولاتور حفره تشدید توری براگ: شامل حفره فابری پرو (FP)، توری براگ موجبر (WBG) و مدولاتور نور آهسته (SL). این ساختارها برای ایجاد تعادل بین اندازه، تلرانسهای فرآیند و عملکرد طراحی شدهاند، به عنوان مثال، یک مدولاتور حفره تشدید FP 2 × 2 به پهنای باند بسیار بزرگی بیش از ۱۱۰ گیگاهرتز دست مییابد. مدولاتور نور آهسته مبتنی بر توری براگ کوپل شده، محدوده پهنای باند کاری را گسترش میدهد.
۳. مدولاتور نایوبات لیتیوم لایه نازک یکپارچه ناهمگن
سه روش اصلی ادغام برای ترکیب سازگاری فناوری CMOS در پلتفرمهای مبتنی بر سیلیکون با عملکرد مدولاسیون عالی لیتیوم نیوبات وجود دارد:
۳.۱ ادغام ناهمگن نوع پیوند: با پیوند مستقیم با بنزوسیکلوبوتن (BCB) یا دی اکسید سیلیکون، نیوبات لیتیوم لایه نازک به یک پلتفرم سیلیکون یا نیترید سیلیکون منتقل میشود و به ادغام پایدار در دمای بالا و در سطح ویفر دست مییابد. این مدولاتور پهنای باند بالا (بیش از ۷۰ گیگاهرتز، حتی فراتر از ۱۱۰ گیگاهرتز) و قابلیت انتقال سیگنال با سرعت بالا را نشان میدهد.
۳.۲ رسوب مواد موجبر با ادغام ناهمگن: رسوب سیلیکون یا نیترید سیلیکون روی لایه نازک لیتیوم نیوبات به عنوان موجبر بار، مدولاسیون الکترواپتیکی کارآمدی را نیز به همراه دارد.
۳.۳ چاپ انتقال میکرو (μ TP) یکپارچهسازی ناهمگن: این فناوری انتظار میرود برای تولید در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرد، که دستگاههای کاربردی پیشساخته را از طریق تجهیزات با دقت بالا به تراشههای هدف منتقل میکند و از پردازش پیچیده پس از تولید جلوگیری میکند. این فناوری با موفقیت در پلتفرمهای نیترید سیلیکون و مبتنی بر سیلیکون به کار گرفته شده و به پهنای باند دهها گیگاهرتز دست یافته است.
به طور خلاصه، این مقاله به طور سیستماتیک نقشه راه فناوری مدولاتورهای الکترواپتیکی مبتنی بر پلتفرمهای لایه نازک لیتیوم نیوبات را از دنبال کردن ساختارهای حفره غیر رزونانسی با کارایی بالا و پهنای باند وسیع، بررسی ساختارهای حفره رزونانسی مینیاتوری و ادغام با پلتفرمهای فوتونی مبتنی بر سیلیکون بالغ، تشریح میکند. این مقاله پتانسیل عظیم و پیشرفت مداوم مدولاتورهای لایه نازک لیتیوم نیوبات را در عبور از تنگنای عملکرد مدولاتورهای سنتی و دستیابی به ارتباطات نوری پرسرعت نشان میدهد.
زمان ارسال: ۳۱ مارس ۲۰۲۶