מבוא למבנה ולביצועים של מודולטור אלקטרו-אופטי ליתיום ניובט בשכבה דקה

מבוא למבנה ולביצועים שלמודולטור אלקטרו-אופטי ליתיום ניובט שכבה דקה
An מודולטור אלקטרו-אופטיבהתבסס על מבנים, אורכי גל ופלטפורמות שונות של ליתיום ניובט שכבה דקה, והשוואת ביצועים מקיפה של סוגים שונים שלמודולטורים של EOM, וכן ניתוח של המחקר והיישום שלמודולטורים של ליתיום ניובט בשכבה דקהבתחומים אחרים.

1. מודולטור ליתיום ניובט בעל שכבה דקה וחלל לא תהודה
מודולטור מסוג זה מבוסס על האפקט האלקטרו-אופטי המצוין של גביש ליתיום ניובט והוא מכשיר מפתח להשגת תקשורת אופטית במהירות גבוהה ובמרחק רב. ישנם שלושה מבנים עיקריים:
1.1 מודולטור MZI בעל אלקטרודת גל נודד: זהו העיצוב הטיפוסי ביותר. קבוצת המחקר Lončar באוניברסיטת הרווארד השיגה לראשונה גרסה בעלת ביצועים גבוהים בשנת 2018, עם שיפורים נוספים הכוללים טעינה קיבולית המבוססת על מצעי קוורץ (רוחב פס גבוה אך לא תואם למצעים מבוססי סיליקון) ותואם למצעים מבוססי סיליקון המבוסס על שקעי מצע, מה שהשיג רוחב פס גבוה (>67 GHz) ותמסורת אות במהירות גבוהה (כגון PAM4 של 112 Gbit/s).
1.2 מודולטור MZI מתקפל: על מנת לקצר את גודל המכשיר ולהתאים אותו למודולים קומפקטיים כגון QSFP-DD, נעשה שימוש בטיפול קיטוב, מוליך גל צולב או אלקטרודות מיקרו-מבנה הפוך כדי להפחית את אורך המכשיר בחצי ולהשיג רוחב פס של 60 גיגה-הרץ.
1.3 מודולטור אורתוגונלי קוהרנטי (IQ) עם קיטוב יחיד/כפול: משתמש בפורמט מודולציה מסדר גבוה כדי לשפר את קצב השידור. קבוצת המחקר קאי באוניברסיטת סון יאט סן השיגה את מודולטור ה-IQ הראשון עם קיטוב יחיד על שבב בשנת 2020. מודולטור ה-IQ עם הקיטוב הכפול שפותח בעתיד בעל ביצועים טובים יותר, והגרסה המבוססת על מצע קוורץ קבעה שיא קצב שידור באורך גל יחיד של 1.96 Tbit/s.

2. מודולטור ליתיום ניובט בעל שכבה דקה מסוג חלל תהודה
כדי להשיג מודולטורים בעלי רוחב פס קטן וגדול במיוחד, קיימים מבני חלל תהודה שונים:
2.1 גביש פוטוני (PC) ומווסת טבעת מיקרו: קבוצת המחקר של לין באוניברסיטת רוצ'סטר פיתחה את מווסת הגביש הפוטוני הראשון בעל ביצועים גבוהים. בנוסף, הוצעו גם מווסתים של טבעת מיקרו המבוססים על אינטגרציה הטרוגנית ואינטגרציה הומוגנית של סיליקון ליתיום ניובט, המגיעים לרוחבי פס של מספר גיגה-הרץ.
2.2 מודולטור חלל התהודה של סריג בראג: כולל חלל פברי פרו (FP), סריג בראג מוליך גל (WBG) ומודולטור אור איטי (SL). מבנים אלה נועדו לאזן גודל, סבילות תהליך וביצועים, לדוגמה, מודולטור חלל התהודה 2 × 2 FP משיג רוחב פס גדול במיוחד העולה על 110 גיגה-הרץ. מודולטור האור האיטי המבוסס על סריג בראג מצומד מרחיב את טווח רוחב הפס העבודה.

3. מודולטור ליתיום ניובט משולב דק הטרוגני
ישנן שלוש שיטות אינטגרציה עיקריות לשילוב התאימות של טכנולוגיית CMOS על פלטפורמות מבוססות סיליקון עם ביצועי המודולציה המעולים של ליתיום ניובט:
3.1 אינטגרציה הטרוגנית מסוג קשר: על ידי התקשרות ישירה עם בנזוציקלוביטן (BCB) או סיליקון דיאוקסיד, ליתיום ניובט בשכבה דקה מועבר לפלטפורמת סיליקון או סיליקון ניטריד, ומשיג אינטגרציה ברמת פרוסה ויציבות בטמפרטורה גבוהה. המודולטור מציג רוחב פס גבוה (>70 GHz, אפילו מעל 110 GHz) ויכולת העברת אות במהירות גבוהה.
3.2 אינטגרציה הטרוגנית של חומר מוליך גל שיקוע: שיקוע סיליקון או סיליקון ניטריד על ליתיום ניובט שכבה דקה כמוליך גל עומס משיג גם אפנון אלקטרו-אופטי יעיל.
3.3 אינטגרציה הטרוגנית של הדפסת מיקרו-טרנספר (μ TP): זוהי טכנולוגיה שצפויה לשמש לייצור בקנה מידה גדול, המעבירה התקנים פונקציונליים טרומיים לשבבים יעד באמצעות ציוד מדויק, תוך הימנעות מעיבוד מורכב לאחר מכן. היא יושמה בהצלחה בפלטפורמות סיליקון ניטריד ופלטפורמות מבוססות סיליקון, והשיגה רוחבי פס של עשרות גיגה-הרץ.

לסיכום, מאמר זה מתאר באופן שיטתי את מפת הדרכים הטכנולוגית של מודולטורים אלקטרו-אופטיים המבוססים על פלטפורמות ליתיום ניובט דק, החל מחיפוש אחר מבני חלל לא תהודה בעלי ביצועים גבוהים ורוחב פס גדול, דרך חקר מבני חלל תהודה ממוזערים, ושילוב עם פלטפורמות פוטוניות מבוססות סיליקון בוגרות. הוא מדגים את הפוטנציאל העצום וההתקדמות המתמשכת של מודולטורים ליתיום ניובט דק בפריצת צוואר הבקבוק בביצועים של מודולטורים מסורתיים והשגת תקשורת אופטית במהירות גבוהה.