مواد لیتیوم نیوبات لایه نازک و مدولاتور لیتیوم نیوبات فیلم نازک

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

فناوری فوتون مایکروویودارای مزایای پهنای باند کاری زیاد، توانایی پردازش موازی قوی و تلفات انتقال کم است که پتانسیل شکستن گلوگاه فنی سیستم مایکروویو سنتی و بهبود عملکرد تجهیزات اطلاعات الکترونیکی نظامی مانند رادار، جنگ الکترونیک، ارتباطات و اندازه گیری و کنترل کنید. با این حال، سیستم فوتون مایکروویو مبتنی بر دستگاه‌های گسسته دارای مشکلاتی مانند حجم زیاد، وزن سنگین و پایداری ضعیف است که کاربرد فناوری فوتون مایکروویو در سکوهای فضابرد و هوابرد را به‌طور جدی محدود می‌کند. بنابراین، فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه در حال تبدیل شدن به یک پشتیبان مهم برای شکستن کاربرد فوتون مایکروویو در سیستم اطلاعات الکترونیکی نظامی و ارائه کامل مزایای فناوری فوتون مایکروویو است.

در حال حاضر، فناوری ادغام فوتونیک مبتنی بر SI و فناوری ادغام فوتونیک مبتنی بر INP پس از سال ها توسعه در زمینه ارتباطات نوری، بیش از پیش بالغ شده اند و محصولات زیادی به بازار عرضه شده است. با این حال، برای استفاده از فوتون مایکروویو، مشکلاتی در این دو نوع فناوری ادغام فوتون وجود دارد: به عنوان مثال، ضریب الکترواپتیکی غیرخطی مدولاتور Si و مدولاتور InP برخلاف خطی بودن بالا و ویژگی‌های دینامیکی بزرگی است که توسط مایکروویو دنبال می‌شود. فناوری فوتون؛ به عنوان مثال، سوئیچ نوری سیلیکونی که سوئیچینگ مسیر نوری را متوجه می شود، چه بر اساس اثر حرارتی-اپتیکی، اثر پیزوالکتریک، یا اثر پراکندگی تزریق حامل، مشکلات سرعت سوئیچ کند، مصرف برق و مصرف گرما را دارد که نمی تواند سریع را برآورده کند. اسکن پرتو و کاربردهای فوتون مایکروویو در مقیاس آرایه بزرگ.

لیتیوم نیوبات همیشه اولین انتخاب برای سرعت بالا بوده استمدولاسیون الکترواپتیکمواد به دلیل اثر الکترواپتیک خطی عالی آن است. با این حال، نیوبات لیتیوم سنتیمدولاتور الکترواپتیکالاز مواد کریستال نیوبات لیتیوم عظیم ساخته شده است و اندازه دستگاه بسیار بزرگ است که نمی تواند نیازهای فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه را برآورده کند. نحوه ادغام مواد لیتیوم نیوبات با ضریب الکترواپتیکی خطی در سیستم فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه به هدف محققان مربوطه تبدیل شده است. در سال 2018، یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه هاروارد در ایالات متحده برای اولین بار فناوری ادغام فوتونیک مبتنی بر لایه نازک لیتیوم نیوبات را در طبیعت گزارش کردند، زیرا این فناوری دارای مزایای یکپارچگی بالا، پهنای باند مدولاسیون الکترواپتیکی زیاد و خطی بودن بالای الکترو است. اثر نوری، پس از راه اندازی، بلافاصله باعث توجه دانشگاهی و صنعتی در زمینه ادغام فوتونیک و فوتونیک مایکروویو شد. از منظر کاربرد فوتون مایکروویو، این مقاله تأثیر و اهمیت فناوری ادغام فوتون مبتنی بر لایه نازک لیتیوم نیوبات را بر توسعه فناوری فوتون مایکروویو بررسی می‌کند.

فیلم نازک لیتیوم نیوبات و فیلم نازکمدولاتور لیتیوم نیوبات
در دو سال اخیر، نوع جدیدی از مواد لیتیوم نیوبات پدیدار شده است، یعنی فیلم نیوبات لیتیوم از کریستال عظیم لیتیوم نیوبات با روش "برش یون" لایه برداری می شود و با یک لایه بافر سیلیس به ویفر Si متصل می شود. از مواد LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] که در این مقاله به آن مواد لیتیوم نیوبات لایه نازک می گویند. موجبرهای ریج با ارتفاع بیش از 100 نانومتر را می توان بر روی مواد لیتیوم نیوبات لایه نازک با فرآیند اچ خشک بهینه حک کرد و اختلاف ضریب شکست موثر موجبرهای تشکیل شده می تواند به بیش از 0.8 برسد (بسیار بیشتر از اختلاف ضریب شکست سنتی موجبرهای لیتیوم نیوبات 0.02)، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. موجبر بسیار محدود، تطبیق میدان نور با میدان مایکروویو را در هنگام طراحی مدولاتور آسان تر می کند. بنابراین، دستیابی به ولتاژ نیمه موج کمتر و پهنای باند مدولاسیون بزرگتر در طول کوتاهتر سودمند است.

ظاهر موجبر زیر میکرونی لیتیوم نیوبات کم اتلاف، گلوگاه ولتاژ بالا رانده مدولاتور الکترواپتیک لیتیوم نیوبات سنتی را می شکند. فاصله الکترود را می توان به ~ 5 میکرومتر کاهش داد، و همپوشانی بین میدان الکتریکی و میدان حالت نوری بسیار افزایش می یابد، و vπ ·L از بیش از 20 V·cm به کمتر از 2.8 V·cm کاهش می یابد. بنابراین، تحت همان ولتاژ نیمه موج، طول دستگاه را می توان تا حد زیادی در مقایسه با مدولاتور سنتی کاهش داد. در عین حال، پس از بهینه سازی پارامترهای عرض، ضخامت و فاصله الکترود موج سیر، همانطور که در شکل نشان داده شده است، مدولاتور می تواند دارای پهنای باند مدولاسیون فوق العاده بالای بیش از 100 گیگاهرتز باشد.

شکل 1 (a) توزیع حالت محاسبه شده و (b) تصویر از مقطع موجبر LN

شکل 2 (الف) موجبر و ساختار الکترود و (b) همبسته مدولاتور LN

مقایسه مدولاتورهای لیتیوم نیوبات لایه نازک با مدولاتورهای تجاری سنتی لیتیوم نیوبات، مدولاتورهای مبتنی بر سیلیکون و مدولاتورهای فسفید ایندیم (InP) و سایر مدولاتورهای الکترواپتیکی پرسرعت موجود، پارامترهای اصلی مقایسه عبارتند از:
(1) محصول طول ولت نیم موج (vπ ·L، V·cm)، اندازه گیری بازده مدولاسیون مدولاتور، هر چه مقدار کوچکتر باشد، بازده مدولاسیون بالاتر است.
(2) پهنای باند مدولاسیون 3 دسی بل (گیگاهرتز)، که پاسخ مدولاتور به مدولاسیون فرکانس بالا را اندازه گیری می کند.
(3) افت درج نوری (dB) در ناحیه مدولاسیون. از جدول می توان دریافت که مدولاتور لیتیوم نیوبات لایه نازک دارای مزایای آشکاری در پهنای باند مدولاسیون، ولتاژ نیمه موج، تلفات درون یابی نوری و غیره است.

سیلیکون، به عنوان سنگ بنای اپتوالکترونیک یکپارچه، تاکنون توسعه یافته است، این فرآیند بالغ است، کوچک سازی آن برای ادغام در مقیاس بزرگ دستگاه های فعال/غیرفعال مساعد است، و مدولاتور آن به طور گسترده و عمیق در زمینه نوری مورد مطالعه قرار گرفته است. ارتباط مکانیسم مدولاسیون الکترواپتیکی سیلیکون عمدتاً تخلیه حامل، تزریق حامل و تجمع حامل است. در میان آنها، پهنای باند مدولاتور با مکانیسم تخلیه حامل درجه خطی بهینه است، اما از آنجایی که توزیع میدان نوری با غیر یکنواختی منطقه تخلیه همپوشانی دارد، این اثر باعث ایجاد اعوجاج مرتبه دوم غیرخطی و اعوجاج میان مدولاسیون مرتبه سوم می شود. شرایط، همراه با اثر جذب حامل بر روی نور، که منجر به کاهش دامنه مدولاسیون نوری و اعوجاج سیگنال می شود.

مدولاتور InP دارای اثرات الکترواپتیکی برجسته است و ساختار چاه کوانتومی چند لایه می تواند تعدیل کننده های ولتاژ رانندگی بسیار بالا و پایین را با Vπ·L تا 0.156 ولت · میلی متر درک کند. اما تغییر ضریب شکست با میدان الکتریکی شامل اصطلاحات خطی و غیرخطی است و افزایش شدت میدان الکتریکی باعث برجسته شدن اثر مرتبه دوم می‌شود. بنابراین، مدولاتورهای الکترواپتیک سیلیکون و InP باید هنگام کار، بایاس را برای تشکیل اتصال pn اعمال کنند، و اتصال pn باعث کاهش جذب به نور می شود. با این حال، اندازه مدولاتور این دو کوچک است، اندازه مدولاتور InP تجاری 1/4 مدولاتور LN است. راندمان مدولاسیون بالا، مناسب برای شبکه های انتقال نوری دیجیتال با چگالی بالا و فاصله کوتاه مانند مراکز داده. اثر الکترواپتیکی لیتیوم نیوبات فاقد مکانیسم جذب نور و تلفات کم است که برای منسجم مسافت طولانی مناسب است.ارتباط نوریبا ظرفیت زیاد و نرخ بالا در کاربرد فوتون مایکروویو، ضرایب الکترواپتیکی Si و InP غیرخطی هستند، که برای سیستم فوتون مایکروویو که خطی بودن بالا و دینامیک بزرگ را دنبال می‌کند، مناسب نیست. ماده نیوبات لیتیوم به دلیل ضریب مدولاسیون الکترواپتیک کاملا خطی برای کاربرد فوتون مایکروویو بسیار مناسب است.