فیلم نازک لیتیوم نیوبات و فیلم نازک فیلم لیتیوم نیوبات

مزایا و اهمیت فیلم نازک لیتیوم نیوبات در فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه

فناوری فوتون مایکروویودارای مزایای پهنای باند کار بزرگ ، توانایی پردازش موازی قوی و از دست دادن انتقال کم است که این امکان را دارد که تنگنا فنی سیستم مایکروویو سنتی را بشکند و عملکرد تجهیزات اطلاعات الکترونیکی نظامی مانند رادار ، جنگ الکترونیکی ، ارتباطات و اندازه گیری و کنترل را بهبود بخشد. با این حال ، سیستم فوتون مایکروویو مبتنی بر دستگاه های گسسته دارای برخی از مشکلات مانند حجم زیاد ، وزن سنگین و پایداری ضعیف است که به طور جدی کاربرد فناوری فوتون مایکروویو را در سیستم عامل های فضایی و موجود در هوا محدود می کند. بنابراین ، فناوری فوتون یکپارچه مایکروویو در حال تبدیل شدن به یک پشتیبانی مهم برای شکستن کاربرد فوتون مایکروویو در سیستم اطلاعات الکترونیکی نظامی و بازی کامل به مزایای فناوری فوتون مایکروویو است.

در حال حاضر ، فناوری ادغام فوتونیک مبتنی بر SI و فناوری ادغام فوتونی مبتنی بر INP پس از سالها توسعه در زمینه ارتباطات نوری بالغ شده اند و بسیاری از محصولات وارد بازار شده اند. با این حال ، برای استفاده از فوتون مایکروویو ، برخی از مشکلات در این دو نوع فناوری ادغام فوتون وجود دارد: به عنوان مثال ، ضریب الکترو نوری غیرخطی Si تعدیل کننده و تعدیل کننده INP خلاف خطی بالا و خصوصیات پویا بزرگ است که توسط فناوری فوتون مایکروویو دنبال می شود. به عنوان مثال ، سوئیچ نوری سیلیکون که سوئیچینگ مسیر نوری را تحقق می بخشد ، چه بر اساس اثر نوری ، چه بر اساس اثر نوری ، اثر پیزوالکتریک یا اثر پراکندگی تزریق حامل ، دارای مشکلات سرعت سوئیچینگ آهسته ، مصرف برق و مصرف گرما است که نمی تواند با استفاده از اسکن سریع پرتو و کاربردهای فوتون مقیاس آرایه بزرگ باشد.

لیتیوم نیوبات همیشه اولین انتخاب برای سرعت بالا بوده استمدولاسیون الکترو نوریمواد به دلیل اثر عالی الکترو نوری خطی آن. با این حال ، لیتیوم نیوبات سنتیتعدیل کننده الکترو نوریاز مواد کریستالی عظیم لیتیوم نیوبات ساخته شده است ، و اندازه دستگاه بسیار بزرگ است که نمی تواند نیازهای فناوری فوتون یکپارچه مایکروویو را برآورده کند. نحوه ادغام مواد نیوبات لیتیوم با ضریب الکترو نوری خطی در سیستم فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه ، هدف محققان مربوطه شده است. در سال 2018 ، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه هاروارد در ایالات متحده برای اولین بار از فناوری ادغام فوتونیک مبتنی بر فیلم نازک لیتیوم نیوبات در طبیعت خبر داد ، زیرا این فناوری دارای مزایای ادغام بالا ، پهنای باند مدولاسیون بزرگ الکترو نوری و خطی بالایی از اثر الکترو نوری است ، پس از راه اندازی ، بلافاصله باعث ایجاد توجه دانشگاهی و صنایع در زمینه ادغام نورپردازی می شد و میکروووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووو. از منظر کاربرد فوتون مایکروویو ، این مقاله به بررسی تأثیر و اهمیت فناوری ادغام فوتون بر اساس فیلم نازک لیتیوم نیوبات در توسعه فناوری فوتون مایکروویو می پردازد.

فیلم نازک لیتیوم نیوبات و فیلم نازکتعدیل کننده نیوبات لیتیوم
در دو سال اخیر ، نوع جدیدی از مواد نیوبات لیتیوم پدیدار شده است ، یعنی فیلم لیتیوم نیوبات از کریستال عظیم لیتیوم نیوبات با روش "برش یونی" لایه برداری می شود و با یک لایه بافر سیلیکا به یک لایه بافر سیلیکا پیوند می زند تا از مواد Lnoi (Linbo3-on-insinator) تشکیل شود. خطاب های خط الراس با ارتفاع بیش از 100 نانومتر را می توان با استفاده از فرآیند اچ بهینه سازی خشک بر روی مواد نازک لیتیوم نیوبات ، و تفاوت ضریب انکسار مؤثر از موج های موج دار که می تواند به بیش از 0.8 برسد (به مراتب بالاتر از اختلاف ضریب شکست لیتیوم نیوبات از موج های 0.02) باشد ، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. تعدیل کننده. بنابراین ، دستیابی به ولتاژ نیمه موج پایین و پهنای باند مدولاسیون بزرگتر در طول کوتاه تر مفید است.

ظاهر موجبر زیریکرون لیتیوم نیوبات کم از دست رفته ، تنگنا ولتاژ رانندگی بالا از تعدیل کننده الکترو نوری لیتیوم نیوبات سنتی را می شکند. فاصله الکترود را می توان به 5 میکرومتر پوند کاهش داد ، و همپوشانی بین میدان الکتریکی و میدان حالت نوری تا حد زیادی افزایش می یابد و Vπ · L از بیش از 20 V · سانتی متر به کمتر از 2.8 V · cm کاهش می یابد. بنابراین ، تحت همان ولتاژ نیمه موج ، طول دستگاه در مقایسه با تعدیل کننده سنتی قابل کاهش است. در عین حال ، پس از بهینه سازی پارامترهای عرض ، ضخامت و فاصله الکترود موج مسافرت ، همانطور که در شکل نشان داده شده است ، تعدیل کننده می تواند توانایی پهنای باند مدولاسیون فوق العاده را بیشتر از 100 گیگاهرتز داشته باشد.

شکل 1 （توزیع حالت محاسبه شده و （B） تصویر مقطع موجبر LN

شکل 2 （a） موجبر و ساختار الکترود و （B） Coreplate Modulator LN

مقایسه تعدیل کننده های نیوبات لیتیوم نیوبات با فیلم های سنتی لیتیوم نیوبات ، تعدیل کننده های مبتنی بر سیلیکون و تعدیل کننده های فسفید ایندیوم (INP) و سایر تعدیل کننده های الکترو نوری با سرعت بالا موجود ، پارامترهای اصلی مقایسه عبارتند از:
(1) محصول ولت طول نیمه موج (Vπ · L ، V · cm) ، اندازه گیری راندمان مدولاسیون تعدیل کننده ، مقدار کوچکتر ، راندمان مدولاسیون بالاتر می رود.
(2) پهنای باند مدولاسیون 3 دسی بل (GHz) ، که پاسخ تعدیل کننده به مدولاسیون با فرکانس بالا را اندازه گیری می کند.
(3) از دست دادن نوری (DB) در منطقه مدولاسیون. از جدول می توان مشاهده کرد که تعدیل کننده لیتیوم نیوبات فیلم نازک از مزایای آشکار در پهنای باند مدولاسیون ، ولتاژ نیمه موج ، از دست دادن درون یابی نوری و غیره برخوردار است.

سیلیکون ، به عنوان سنگ بنای نوری یکپارچه ، تاکنون توسعه یافته است ، این فرایند بالغ است ، مینیاتوریزاسیون آن برای ادغام در مقیاس بزرگ دستگاه های فعال/غیرفعال است و تعدیل کننده آن به طور گسترده و عمیقی در زمینه ارتباطات نوری مورد مطالعه قرار گرفته است. مکانیسم مدولاسیون الکترو نوری سیلیکون عمدتاً حامل تخلیه ، تزریق حامل و تجمع حامل است. در میان آنها ، پهنای باند تعدیل کننده با مکانیسم تخلیه حامل درجه خطی بهینه است ، اما به دلیل اینکه توزیع میدان نوری با غیر یکنواختی منطقه کاهش همپوشانی است ، این اثر اعوجاج مرتبه دوم غیرخطی و اعوجاج متمایل به ترتیب مرتبه سوم ، همراه با اثر جذب حامل بر روی نور ، که منجر به کاهش سوپر است می شود ، ایجاد می شود و منجر به کاهش تغییر می شود.

تعدیل کننده INP دارای اثرات الکترو نوری فوق العاده ای است و ساختار چاه کوانتومی چند لایه می تواند سرعت فوق العاده بالا و تعدیل کننده های ولتاژ رانندگی با Vπ · L تا 0.156V · میلی متر را تحقق بخشد. با این حال ، تغییر ضریب شکست با میدان الکتریکی شامل اصطلاحات خطی و غیرخطی است و افزایش شدت میدان الکتریکی باعث می شود اثر مرتبه دوم برجسته شود. بنابراین ، تعدیل کننده های الکترو نوری سیلیکون و INP برای تشکیل اتصال PN در هنگام کار باید تعصب اعمال کنند و اتصال PN باعث از بین رفتن جذب به نور می شود. با این حال ، اندازه تعدیل کننده این دو کوچک است ، اندازه تعدیل کننده تجاری INP 1/4 از تعدیل کننده LN است. راندمان مدولاسیون بالا ، مناسب برای چگالی بالا و شبکه های انتقال نوری دیجیتال از راه دور مانند مراکز داده. اثر الکترو نوری لیتیوم نیوبات هیچ مکانیسم جذب نور و از بین رفتن کم ندارد ، که برای منسجم از راه دور مناسب استارتباط نوریبا ظرفیت زیاد و نرخ بالا. در کاربرد فوتون مایکروویو ، ضرایب الکترو نوری SI و INP غیرخطی هستند که برای سیستم فوتون مایکروویو مناسب نیست که خطی بالا و پویایی بزرگ را دنبال می کند. ماده نیوبات لیتیوم به دلیل ضریب مدولاسیون کاملاً خطی الکترو نوری برای کاربرد فوتون مایکروویو بسیار مناسب است.