חומר ליתיום ניובט שכבה דקה ומווסת ליתיום ניובט שכבה דקה

יתרונות ומשמעות של ליתיום ניובט שכבה דקה בטכנולוגיית פוטונים משולבת במיקרוגל

טכנולוגיית פוטונים במיקרוגליש לו יתרונות של רוחב פס עבודה גדול, יכולת עיבוד מקבילי חזקה ואובדן שידור נמוך, אשר יש להם פוטנציאל לשבור את צוואר הבקבוק הטכני של מערכות מיקרוגל מסורתיות ולשפר את הביצועים של ציוד מידע אלקטרוני צבאי כגון מכ"ם, לוחמה אלקטרונית, תקשורת ומדידה ובקרה. עם זאת, למערכת פוטון מיקרוגל המבוססת על התקנים בדידים יש כמה בעיות כגון נפח גדול, משקל כבד ויציבות ירודה, אשר מגבילות באופן משמעותי את היישום של טכנולוגיית פוטון מיקרוגל בפלטפורמות חלל ומוטסות. לכן, טכנולוגיית פוטון מיקרוגל משולבת הופכת לתמיכה חשובה לשבירת היישום של פוטון מיקרוגל במערכות מידע אלקטרוניות צבאיות ולניצול מלא של יתרונות טכנולוגיית פוטון מיקרוגל.

כיום, טכנולוגיית אינטגרציה פוטונית מבוססת SI וטכנולוגיית אינטגרציה פוטונית מבוססת INP הפכו בוגרות יותר ויותר לאחר שנים של פיתוח בתחום התקשורת האופטית, ומוצרים רבים הושקו בשוק. עם זאת, עבור יישום פוטון מיקרוגל, ישנן מספר בעיות בשני סוגי טכנולוגיות אינטגרציית פוטונים אלה: לדוגמה, המקדם האלקטרו-אופטי הלא ליניארי של מודולטור Si ומודולטטור InP מנוגד למאפייני הליניאריות הגבוהים ולמאפייני הדינמיקה הגדולים שטכנולוגיית פוטון מיקרוגל שואפים אליהם; לדוגמה, מתג אופטי מסיליקון המממש מיתוג נתיב אופטי, בין אם מבוסס על אפקט תרמי-אופטי, אפקט פיזואלקטרי או אפקט פיזור הזרקת נושאי מטען, סובל מבעיות של מהירות מיתוג איטית, צריכת חשמל וצריכת חום, שאינן יכולות לעמוד בדרישות סריקת אלומה מהירה ויישומי פוטון מיקרוגל בקנה מידה גדול.

ליתיום ניובט תמיד היה הבחירה הראשונה למהירות גבוההאפנון אלקטרו-אופטיחומרים בגלל האפקט האלקטרו-אופטי הליניארי המצוין שלהם. עם זאת, ניובט הליתיום המסורתימודולטור אלקטרו-אופטיעשוי מחומר גביש ליתיום ניובט מסיבי, וגודל המכשיר גדול מאוד, שאינו יכול לענות על הצרכים של טכנולוגיית פוטוני מיקרוגל משולבת. כיצד לשלב חומרי ליתיום ניובט עם מקדם אלקטרו-אופטי ליניארי במערכת טכנולוגיית פוטוני מיקרוגל משולבת הפך למטרה של חוקרים רלוונטיים. בשנת 2018, צוות מחקר מאוניברסיטת הרווארד בארצות הברית דיווח לראשונה על טכנולוגיית אינטגרציה פוטונית המבוססת על ליתיום ניובט שכבה דקה ב-Nature, מכיוון שלטכנולוגיה יש יתרונות של אינטגרציה גבוהה, רוחב פס אפנון אלקטרו-אופטי גדול וליניאריות גבוהה של אפקט אלקטרו-אופטי. לאחר השקתה, היא עוררה מיד תשומת לב אקדמית ותעשייתית בתחום האינטגרציה הפוטונית והפוטוניקה של מיקרוגל. מנקודת מבט של יישום פוטוני מיקרוגל, מאמר זה סוקר את ההשפעה והמשמעות של טכנולוגיית אינטגרציה פוטונים המבוססת על ליתיום ניובט שכבה דקה על פיתוח טכנולוגיית פוטוני מיקרוגל.

חומר ליתיום ניובט שכבה דקה ושכבה דקהמודולטור ליתיום ניובט
בשנתיים האחרונות, צץ סוג חדש של חומר ליתיום ניובט, כלומר, סרט הליתיום ניובט מופרד מגביש הליתיום ניובט המאסיבי בשיטת "חיתוך יונים" ומחובר לפלסטיק הניול בעזרת שכבת חיץ סיליקה ליצירת חומר LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], המכונה במאמר זה חומר ליתיום ניובט דק. מוליכי גל רכס בגובה של יותר מ-100 ננומטר ניתנים לחריטה על חומרי ליתיום ניובט דק באמצעות תהליך איכול יבש אופטימלי, והפרש מקדם השבירה האפקטיבי של מוליכי הגל שנוצרים יכול להגיע ליותר מ-0.8 (גבוה בהרבה מהפרש מקדם השבירה של מוליכי גל ליתיום ניובט מסורתיים של 0.02), כפי שמוצג באיור 1. מוליך הגל המוגבל מאוד מקל על התאמת שדה האור לשדה המיקרוגל בעת תכנון המודולטור. לפיכך, מועיל להשיג מתח חצי גל נמוך יותר ורוחב פס אפנון גדול יותר באורך קצר יותר.

הופעתו של מוליך גל תת-מיקרון של ליתיום ניובט בעל הפסדים נמוכים שובר את צוואר הבקבוק של מתח הנעה גבוה של מודולטור אלקטרו-אופטי מסורתי של ליתיום ניובט. ניתן להפחית את המרווח בין האלקטרודות לכ-5 מיקרון, והחפיפה בין השדה החשמלי לשדה המצב האופטי גדלה מאוד, וה-vπ·L יורד מיותר מ-20 וולט·ס"מ לפחות מ-2.8 וולט·ס"מ. לכן, תחת אותו מתח חצי גל, ניתן להפחית משמעותית את אורך המכשיר בהשוואה למודולטור המסורתי. יחד עם זאת, לאחר אופטימיזציה של פרמטרי הרוחב, העובי והמרווח של אלקטרודת הגל הנודד, כפי שמוצג באיור, המודולטור יכול להיות בעל יכולת של רוחב פס אפנון גבוה במיוחד הגדול מ-100 גיגה-הרץ.

איור 1 (א) התפלגות אופנים מחושבת ותמונה (ב) של חתך רוחב מוליך גל LN

איור 2 (א) מבנה מוליך הגל והאלקטרודה ו-(ב) לוחית הליבה של מודולטור LN

בהשוואה בין מאפנני ליתיום ניובט בשכבה דקה לבין מאפננים מסחריים מסורתיים של ליתיום ניובט, מאפננים מבוססי סיליקון ומאפננים של אינדיום פוספיד (InP) ומאפננים אלקטרו-אופטיים מהירים אחרים קיימים, הפרמטרים העיקריים של ההשוואה כוללים:
(1) מכפלת אורך וולט בחצי גל (vπ ·L, V·cm), מדידת יעילות המודולציה של המודולטור, ככל שהערך קטן יותר, כך יעילות המודולציה גבוהה יותר;
(2) רוחב פס אפנון של 3 dB (GHz), המודד את תגובת המודולטור לאפנון בתדר גבוה;
(3) אובדן הכנסה אופטי (dB) באזור המודולציה. ניתן לראות מהטבלה כי למודולטור ליתיום ניובט בעל סרט דק יש יתרונות ברורים ברוחב פס המודולציה, מתח חצי גל, אובדן אינטרפולציה אופטי וכן הלאה.

סיליקון, כאבן הפינה של האופטואלקטרוניקה המשולבת, פותח עד כה, התהליך בוגר, המזעור שלו תורם לשילוב בקנה מידה גדול של התקנים אקטיביים/פסיביים, והמאפנן שלו נחקר באופן נרחב ומעמיק בתחום התקשורת האופטית. מנגנון המודולציה האלקטרו-אופטי של סיליקון הוא בעיקר דלדול נושאי גלים, הזרקת נושאי גלים וצבירת נושאי גלים. ביניהם, רוחב הפס של המאפנן אופטימלי עם מנגנון דלדול נושאי גלים בדרגה ליניארית, אך מכיוון שחלוקת השדה האופטי חופפת לחוסר האחידות של אזור הדלדול, השפעה זו תביא לעיוות לא ליניארי מסדר שני ועיוות אינטרמודולציה מסדר שלישי, בשילוב עם אפקט הבליעה של נושא הגל על ​​האור, מה שיוביל להפחתת משרעת המודולציה האופטית ועיוות האות.

למודולטור InP יש אפקטים אלקטרו-אופטיים יוצאי דופן, ומבנה הבאר הקוונטית הרב-שכבתי יכול לממש מודולטורים בעלי קצב גבוה במיוחד ומתח הנעה נמוך עם Vπ·L עד 0.156V·mm. עם זאת, השינוי במקדם השבירה עם השדה החשמלי כולל מונחים ליניאריים ולא ליניאריים, והעלייה בעוצמת השדה החשמלי תהפוך את האפקט מסדר שני לבולט. לכן, מודולטורים אלקטרו-אופטיים של סיליקון ו-InP צריכים להפעיל הטיה כדי ליצור צומת pn כשהם פועלים, וצומת pn תגרום לאובדן ספיגה לאור. עם זאת, גודל המודולטור של שני אלה קטן, וגודל מודולטור ה-InP המסחרי הוא 1/4 מגודל מודולטור ה-LN. יעילות אפנון גבוהה, מתאימה לרשתות שידור אופטיות דיגיטליות בצפיפות גבוהה ובמרחקים קצרים כמו מרכזי נתונים. לאפקט האלקטרו-אופטי של ליתיום ניובט אין מנגנון ספיגת אור והפסדים נמוכים, המתאים לקוהרנטיות למרחקים ארוכים.תקשורת אופטיתעם קיבולת גדולה וקצב גבוה. ביישום פוטון מיקרוגל, המקדמים האלקטרו-אופטיים של Si ו-InP אינם ליניאריים, דבר שאינו מתאים למערכת פוטון מיקרוגל השואפת ליניאריות גבוהה ודינמיקה גדולה. חומר הליתיום ניובט מתאים מאוד ליישומי פוטון מיקרוגל בגלל מקדם המודולציה האלקטרו-אופטי הליניארי לחלוטין שלו.