מאפנן אלקטרו-אופטי ליתיום ניובאט משולב גבוה יותר

ליניאריות גבוההאפנן אלקטרו-אופטיויישום פוטון במיקרוגל
עם הדרישות ההולכות וגוברות של מערכות תקשורת, על מנת לשפר עוד יותר את יעילות השידור של אותות, אנשים ימזגו פוטונים ואלקטרונים כדי להשיג יתרונות משלימים, ופוטוניקת מיקרוגל תיוולד. המאפנן האלקטרו-אופטי נחוץ להמרה של חשמל לאור פנימהמערכות פוטוניות במיקרוגל, ושלב מפתח זה קובע בדרך כלל את הביצועים של המערכת כולה. מאז ההמרה של אות תדר רדיו לתחום אופטי הוא תהליך אות אנלוגי, ורגילמאפננים אלקטרו-אופטייםיש אי-לינאריות אינהרנטית, יש עיוות אות רציני בתהליך ההמרה. על מנת להשיג אפנון ליניארי משוער, נקודת הפעולה של המאפנן קבועה בדרך כלל בנקודת ההטיה האורתוגונלית, אך היא עדיין אינה יכולה לעמוד בדרישות של קישור פוטון מיקרוגל עבור הליניאריות של המאפנן. דרושים בדחיפות מאפננים אלקטרו-אופטיים בעלי ליניאריות גבוהה.

אפנון אינדקס השבירה המהיר של חומרי סיליקון מושג בדרך כלל על ידי אפקט פיזור פלזמה חופשית (FCD). גם אפקט FCD וגם אפנון צומת PN אינם ליניאריים, מה שהופך את מאפנן הסיליקון לפחות ליניארי מאפנן הליתיום ניובאט. חומרי ליתיום ניובאט מציגים מצויןאפנון אלקטרו-אופטימאפיינים בשל אפקט ה- Pucker שלהם. יחד עם זאת, לחומר ליתיום ניובט יש את היתרונות של רוחב פס גדול, מאפייני אפנון טובים, אובדן נמוך, אינטגרציה קלה ותאימות לתהליך מוליכים למחצה, שימוש בליתיום ניובאט סרט דק לייצור מאפנן אלקטרו-אופטי בעל ביצועים גבוהים, בהשוואה לסיליקון כמעט ללא "צלחת קצרה", אלא גם כדי להשיג ליניאריות גבוהה. מאפנן אלקטרו-אופטי על מבודד סרט דק ליתיום ניובאט (LNOI) הפך לכיוון פיתוח מבטיח. עם הפיתוח של טכנולוגיית הכנת חומר ליתיום ניובאט סרט דק וטכנולוגיית תחריט של מולי גל, יעילות ההמרה הגבוהה והשילוב הגבוה יותר של מאפנן אלקטרו-אופטי ליתיום ניובאט סרט דק הפכו לתחום האקדמיה והתעשייה הבינלאומית.

מאפיינים של ליתיום ניובאט סרט דק
בארצות הברית תכנון DAP AR ביצע את ההערכה הבאה של חומרי ליתיום ניובאט: אם מרכז המהפכה האלקטרונית נקרא על שם חומר הסיליקון המאפשר זאת, אזי מקום הולדתה של מהפכת הפוטוניקה עשוי להיקרא על שם ליתיום ניובט . הסיבה לכך היא שליתיום ניובאט משלב אפקט אלקטרו-אופטי, אפקט אקוסטו-אופטי, אפקט פיזואלקטרי, אפקט תרמו-אלקטרי ואפקט פוטו-שביר באחד, בדיוק כמו חומרי סיליקון בתחום האופטיקה.

במונחים של מאפייני שידור אופטיים, לחומר InP יש את אובדן השידור הגדול ביותר בשבב עקב בליעת האור ברצועת ה-1550nm הנפוצה. ל- SiO2 ולסיליקון ניטריד יש את מאפייני השידור הטובים ביותר, וההפסד יכול להגיע לרמה של ~ 0.01dB/cm; נכון להיום, אובדן מוליך הגל של מוליך גל ליתיום ניובאט סרט דק יכול להגיע לרמה של 0.03dB/cm, ולאובדן מוליך גל ליתיום ניובאט סרט דק יש פוטנציאל להפחית עוד יותר עם שיפור מתמיד של הרמה הטכנולוגית ב-. עָתִידִי. לכן, חומר הליתיום ניובאט הסרט הדק יציג ביצועים טובים עבור מבני אור פסיביים כגון נתיב פוטוסינתטי, shunt ו-microring.

מבחינת ייצור אור, רק ל-InP יש את היכולת לפלוט אור ישירות; לכן, עבור היישום של פוטונים במיקרוגל, יש צורך להציג את מקור האור המבוסס על InP על השבב הפוטוני המשולב מבוסס LNOI בדרך של ריתוך בטעינה אחורית או צמיחה אפיטקסיאלית. במונחים של אפנון אור, הודגש לעיל שלחומר ליתיום ניובאט סרט דק קל יותר להשיג רוחב פס אפנון גדול יותר, מתח חצי גל נמוך יותר ואובדן שידור נמוך יותר מאשר InP ו-Si. יתר על כן, הליניאריות הגבוהה של אפנון אלקטרו-אופטי של חומרי ליתיום ניובאט סרט דק חיונית לכל יישומי פוטון מיקרוגל.

במונחים של ניתוב אופטי, התגובה האלקטרו-אופטית המהירה של חומר ליתיום ניובאט סרט דק הופכת את המתג האופטי מבוסס LNOI למסוגל לבצע מיתוג ניתוב אופטי במהירות גבוהה, וצריכת החשמל של מיתוג מהיר כזה גם היא נמוכה מאוד. עבור היישום הטיפוסי של טכנולוגיית פוטון משולבת מיקרוגל, לשבב יצירת האלומה הנשלט אופטית יש את היכולת של מיתוג במהירות גבוהה כדי לענות על הצרכים של סריקת אלומה מהירה, והמאפיינים של צריכת חשמל נמוכה במיוחד מותאמים היטב לדרישות המחמירות של גדולות. מערכת מערך מדורג בקנה מידה. למרות שהמתג האופטי המבוסס על InP יכול גם לממש מיתוג נתיב אופטי במהירות גבוהה, הוא יציג רעש גדול, במיוחד כאשר המתג האופטי הרב-שכבתי מדורג, מקדם הרעש יידרדר באופן רציני. חומרי סיליקון, SiO2 וסיליקון ניטריד יכולים להחליף נתיבים אופטיים רק באמצעות האפקט התרמו-אופטי או אפקט פיזור הספקים, שיש להם את החסרונות של צריכת חשמל גבוהה ומהירות מיתוג איטית. כאשר גודל המערך של המערך המשלב גדול, הוא אינו יכול לעמוד בדרישות של צריכת חשמל.

במונחים של הגברה אופטית, המגבר אופטי מוליכים למחצה (SOA) המבוסס על InP כבר בשל לשימוש מסחרי, אך יש לו את החסרונות של מקדם רעש גבוה וכוח פלט רוויה נמוך, אשר אינו תורם ליישום של פוטונים במיקרוגל. תהליך ההגברה הפרמטרי של מוליך גל ליתיום ניובאט סרט דק המבוסס על הפעלה והיפוך תקופתיים יכול להשיג הגברה אופטית על-שבב נמוכה והספק גבוה, שיכולה לעמוד בדרישות של טכנולוגיית פוטון משולבת במיקרוגל להגברה אופטית על-שבב.

במונחים של זיהוי אור, לליתיום ניובאט הסרט הדק יש מאפייני העברה טובים לאור ברצועת 1550 ננומטר. לא ניתן לממש את הפונקציה של המרה פוטו-אלקטרית, כך ליישומי פוטון במיקרוגל, על מנת לענות על הצרכים של המרה פוטו-אלקטרית בשבב. יש להציג יחידות זיהוי InGaAs או Ge-Si על שבבים משולבים פוטוניים מבוססי LNOI על ידי טעינת ריתוך או צמיחה אפיטקסיאלית. מבחינת צימוד עם סיב אופטי, מכיוון שהסיב האופטי עצמו הוא חומר SiO2, לשדה המצב של מוליך גל SiO2 יש את מידת ההתאמה הגבוהה ביותר לשדה המצב של סיב אופטי, והצימוד הוא הנוח ביותר. קוטר שדה המצב של מוליך הגל המוגבל מאוד של ליתיום ניובאט סרט דק הוא בערך 1μm, שהוא שונה לגמרי משדה המצב של סיבים אופטיים, ולכן יש לבצע טרנספורמציה נקודתית במצב מתאים כדי להתאים לשדה המצב של סיב אופטי.

מבחינת אינטגרציה, האם לחומרים שונים יש פוטנציאל אינטגרציה גבוה תלוי בעיקר ברדיוס הכיפוף של מוליך הגל (מושפע מהגבלה של שדה מצב מוליך הגל). מוליך הגל המוגבל מאוד מאפשר רדיוס כיפוף קטן יותר, מה שמסייע יותר למימוש אינטגרציה גבוהה. לכן, למובילי גל ליתיום ניובאט סרט דק יש פוטנציאל להשיג אינטגרציה גבוהה. לכן, המראה של ליתיום ניובאט סרט דק מאפשר לחומר ליתיום ניובט באמת לשחק את התפקיד של "סיליקון" אופטי. ליישום של פוטונים במיקרוגל, היתרונות של ליתיום ניובאט סרט דק ברורים יותר.