مزایا و اهمیت لایه نازک لیتیوم نیوبات در فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه
فناوری فوتون مایکروویودارای مزایای پهنای باند کاری وسیع، توانایی پردازش موازی قوی و تلفات انتقال کم است که پتانسیل شکستن تنگنای فنی سیستم مایکروویو سنتی و بهبود عملکرد تجهیزات اطلاعات الکترونیکی نظامی مانند رادار، جنگ الکترونیک، ارتباطات و اندازه‌گیری و کنترل را دارد. 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 را در پلتفرم‌های فضایی و هوایی به طور 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 بهره‌گیری کامل از مزایای فناوری فوتون مایکروویو است.
در حال حاضر، فناوری ادغام فوتونی مبتنی بر SI و فناوری ادغام فوتونی مبتنی بر INP پس از سال‌ها توسعه در زمینه ارتباطات نوری، بیش از پیش بالغ شده‌اند و محصولات زیادی به بازار عرضه شده‌اند. با این حال، برای کاربرد فوتون مایکروویو، مشکلاتی در این دو نوع فناوری ادغام فوتون وجود دارد: به عنوان مثال، ضریب الکترواپتیکی غیرخطی مدولاتور Si و مدولاتور InP با خطی بودن بالا و ویژگی‌های دینامیکی بزرگ مورد نظر فناوری فوتون مایکروویو مغایرت دارد. به عنوان مثال، سوئیچ نوری سیلیکونی که سوئیچینگ مسیر نوری را انجام می‌دهد، چه بر اساس اثر حرارتی-نوری، اثر پیزوالکتریک یا اثر پراکندگی تزریق حامل، دارای مشکلات سرعت سوئیچینگ پایین، مصرف برق و گرما است که نمی‌تواند کاربردهای اسکن سریع پرتو و فوتون مایکروویو در مقیاس آرایه بزرگ را برآورده کند.
لیتیوم نیوبات همیشه اولین انتخاب برای سرعت بالا بوده است.مدولاسیون الکترواپتیکیمواد به دلیل اثر الکترواپتیکی خطی عالی آن. با این حال، نیوبات لیتیوم سنتیمدولاتور الکترواپتیکیاز ماده کریستالی لیتیوم نیوبات حجیم ساخته شده است و اندازه دستگاه بسیار بزرگ است که نمی‌تواند نیازهای فناوری فوتون مایکروویو یکپارچه را برآورده کند. چگونگی 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 فوتونی مبتنی بر لیتیوم نیوبات لایه نازک را در مجله Nature گزارش کرد، زیرا این فناوری دارای مزایای ادغام بالا، پهنای باند مدولاسیون الکترواپتیکی بزرگ و خطی بودن بالای اثر الکترواپتیکی است، پس از راه‌اندازی، بلافاصله توجه دانشگاهی و صنعتی را در زمینه ادغام فوتونی و فوتونیک مایکروویو جلب کرد. از منظر کاربرد فوتون مایکروویو، این مقاله به بررسی تأثیر و اهمیت فناوری ادغام فوتونی مبتنی بر لیتیوم نیوبات لایه نازک بر توسعه فناوری فوتون مایکروویو می‌پردازد.
مواد نیوبات لیتیوم لایه نازک و لایه نازکمدولاتور لیتیوم نیوبات
در دو سال اخیر، نوع جدیدی از ماده لیتیوم نیوبات پدیدار شده است، به این معنی که لایه نازک نیوبات لیتیوم با روش "برش یون" از کریستال عظیم لیتیوم نیوبات جدا شده و با یک لایه بافر سیلیسی به ویفر سیلیکونی متصل می‌شود تا ماده LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] تشکیل شود که در این مقاله به آن ماده لیتیوم نیوبات لایه نازک گفته می‌شود. موجبرهای ریج با ارتفاع بیش از 100 نانومتر را می‌توان با فرآیند اچینگ خشک بهینه شده روی مواد لیتیوم نیوبات لایه نازک حک کرد و اختلاف ضریب شکست مؤثر موجبرهای تشکیل شده می‌تواند به بیش از 0.8 برسد (بسیار بالاتر از اختلاف ضریب شکست موجبرهای سنتی لیتیوم نیوبات 0.02)، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. موجبر با محدودیت شدید، تطبیق میدان نور با میدان مایکروویو را هنگام طراحی مدولاتور آسان‌تر می‌کند. بنابراین، دستیابی به ولتاژ نیم موج پایین‌تر و پهنای باند مدولاسیون بزرگتر در طول کوتاه‌تر مفید است.
ظهور موجبر زیرمیکرون لیتیوم نیوبات با تلفات کم، تنگنای ولتاژ محرک بالای مدولاتور الکترواپتیکی لیتیوم نیوبات سنتی را از بین می‌برد. فاصله الکترودها را می‌توان تا حدود ۵ میکرومتر کاهش داد و همپوشانی بین میدان الکتریکی و میدان مد نوری به میزان زیادی افزایش می‌یابد و vπ ·L از بیش از ۲۰ ولت · سانتی‌متر به کمتر از ۲.۸ ولت · سانتی‌متر کاهش می‌یابد. بنابراین، تحت ولتاژ نیم موج یکسان، طول دستگاه می‌تواند در مقایسه با مدولاتور سنتی به میزان زیادی کاهش یابد. در عین حال، پس از بهینه‌سازی پارامترهای عرض، ضخامت و فاصله الکترود موج رونده، همانطور که در شکل نشان داده شده است، مدولاتور می‌تواند توانایی پهنای باند مدولاسیون فوق العاده بالا بیش از ۱۰۰ گیگاهرتز را داشته باشد.
شکل 1 (الف) توزیع مد محاسبه شده و (ب) تصویر سطح مقطع موجبر LN
شکل 2 (الف) ساختار موجبر و الکترود و (ب) صفحه مرکزی مدولاتور LN
مقایسه مدولاتورهای لایه نازک لیتیوم نیوبات با مدولاتورهای تجاری سنتی لیتیوم نیوبات، مدولاتورهای مبتنی بر سیلیکون و مدولاتورهای فسفید ایندیوم (InP) و سایر مدولاتورهای الکترواپتیکی پرسرعت موجود، پارامترهای اصلی مقایسه عبارتند از:
(1) حاصلضرب ولت در طول موج نیم‌موج (vπ ·L، V ·cm)، که راندمان مدولاسیون مدولاتور را اندازه‌گیری می‌کند، هرچه مقدار آن کوچکتر باشد، راندمان مدولاسیون بالاتر است.
(2) پهنای باند مدولاسیون 3 دسی‌بل (گیگاهرتز)، که پاسخ مدولاتور را به مدولاسیون فرکانس بالا اندازه‌گیری می‌کند؛
(3) تلفات درج نوری (dB) در ناحیه مدولاسیون. از جدول می‌توان دریافت که مدولاتور لایه نازک لیتیوم نیوبات مزایای آشکاری در پهنای باند مدولاسیون، ولتاژ نیم موج، تلفات درون‌یابی نوری و غیره دارد.
سیلیکون، به عنوان سنگ بنای الکترونیک نوری مجتمع، تاکنون توسعه یافته است، این فرآیند به بلوغ رسیده است، کوچک‌سازی آن برای ادغام در مقیاس بزرگ دستگاه‌های فعال/غیرفعال مساعد است و مدولاتور آن به طور گسترده و عمیق در زمینه ارتباطات نوری مورد مطالعه قرار گرفته است. 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 آنجا که توزیع میدان نوری با عدم یکنواختی ناحیه تخلیه همپوشانی دارد، این اثر باعث ایجاد اعوجاج مرتبه دوم غیرخطی و اعوجاج بین مدولاسیون مرتبه سوم، همراه با اثر جذب حامل بر روی نور، می‌شود که منجر به کاهش دامنه مدولاسیون نوری و اعوجاج سیگنال خواهد شد.
مدولاتور InP اثرات الکترواپتیکی برجسته‌ای دارد و ساختار چاه کوانتومی چندلایه می‌تواند مدولاتورهایی با نرخ بسیار بالا و ولتاژ محرک پایین با Vπ·L تا 0.156V · mm را محقق کند. با این حال، تغییر ضریب شکست با میدان الکتریکی شامل عبارات خطی و غیرخطی است و افزایش شدت میدان الکتریکی، اثر مرتبه دوم را برجسته می‌کند. بنابراین، مدولاتورهای الکترواپتیکی سیلیکونی و InP هنگام کار نیاز به اعمال بایاس برای تشکیل پیوند pn دارند و پیوند pn باعث افت جذب نور می‌شود. با این حال، اندازه مدولاتور این دو کوچک است، اندازه مدولاتور InP تجاری 1/4 مدولاتور LN است. راندمان مدولاسیون بالا، مناسب برای شبکه‌های انتقال نوری دیجیتال با چگالی بالا و فاصله کوتاه مانند مراکز داده. اثر الکترواپتیکی لیتیوم نیوبات هیچ مکانیسم جذب نور و افت کمی ندارد که برای همدوس فاصله طولانی مناسب است.ارتباط نوریبا ظرفیت بالا 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 لیتیوم نیوبات به دلیل ضریب مدولاسیون الکترواپتیکی کاملاً خطی خود برای کاربرد فوتون مایکروویو بسیار مناسب است.
زمان ارسال: ۲۲ آوریل ۲۰۲۴