חומר ליתיום ניובאט סרט דק ומאפנן ליתיום ניובאט סרט דק

יתרונות ומשמעות של ליתיום ניובאט סרט דק בטכנולוגיית פוטון משולבת במיקרוגל

טכנולוגיית פוטון מיקרוגליש לו את היתרונות של רוחב פס עבודה גדול, יכולת עיבוד מקבילי חזקה ואובדן שידור נמוך, שיש לו פוטנציאל לשבור את צוואר הבקבוק הטכני של מערכת המיקרוגל המסורתית ולשפר את הביצועים של ציוד מידע אלקטרוני צבאי כגון מכ"ם, לוחמה אלקטרונית, תקשורת ומדידה. לִשְׁלוֹט. עם זאת, למערכת הפוטונים המיקרוגל המבוססת על מכשירים בדידים יש כמה בעיות כמו נפח גדול, משקל כבד ויציבות ירודה, אשר מגבילים באופן רציני את היישום של טכנולוגיית פוטון מיקרוגל בפלטפורמות מוטסות בחלל ובאוויר. לכן, טכנולוגיית פוטון מיקרוגל משולבת הופכת לתמיכה חשובה כדי לשבור את היישום של פוטון מיקרוגל במערכת מידע אלקטרונית צבאית ולתת משחק מלא ליתרונות של טכנולוגיית פוטון מיקרוגל.

כיום, טכנולוגיית אינטגרציה פוטונית מבוססת SI וטכנולוגיית אינטגרציה פוטונית מבוססת INP הפכו בשלות יותר ויותר לאחר שנים של פיתוח בתחום התקשורת האופטית, והרבה מוצרים הוצאו לשוק. עם זאת, עבור היישום של פוטון מיקרוגל, ישנן כמה בעיות בשני סוגי טכנולוגיות אינטגרציה של פוטון: לדוגמה, המקדם האלקטרו-אופטי הלא ליניארי של מאפנן Si ומאפנן InP מנוגד לליניאריות הגבוהה ולמאפיינים הדינמיים הגדולים שנועד למיקרוגל. טכנולוגיית פוטון; לדוגמה, למתג האופטי הסיליקון שמממש מיתוג נתיב אופטי, בין אם מבוסס על אפקט תרמי-אופטי, אפקט פיזואלקטרי או אפקט פיזור הזרקת נשא, יש בעיות של מהירות מיתוג איטית, צריכת חשמל וצריכת חום, שאינן יכולות לעמוד בקצב המהיר. סריקת אלומה ויישומי פוטון מיקרוגל בקנה מידה גדול של מערך גדול.

ליתיום ניובאט תמיד הייתה הבחירה הראשונה למהירות גבוההאפנון אלקטרו-אופטיחומרים בגלל האפקט האלקטרו-אופטי הליניארי המצוין שלו. עם זאת, הליתיום ניובאט המסורתיאפנן אלקטרו-אופטיעשוי מחומר גבישי ליתיום ניובאט מאסיבי, וגודל המכשיר גדול מאוד, שאינו יכול לענות על הצרכים של טכנולוגיית פוטון משולבת במיקרוגל. כיצד לשלב חומרי ליתיום ניובאט עם מקדם אלקטרו-אופטי ליניארי לתוך מערכת טכנולוגיית הפוטון המשולבת במיקרוגל הפך למטרה של חוקרים רלוונטיים. בשנת 2018, צוות מחקר מאוניברסיטת הרווארד בארצות הברית דיווח לראשונה על טכנולוגיית האינטגרציה הפוטונית המבוססת על ליתיום ניובאט סרט דק בטבע, מכיוון שלטכנולוגיה יש את היתרונות של אינטגרציה גבוהה, רוחב פס אפנון אלקטרו-אופטי גדול וליניאריות גבוהה של אלקטרו. -אפקט אופטי, לאחר שהושק, הוא גרם מיד לתשומת הלב האקדמית והתעשייתית בתחום האינטגרציה הפוטונית ופוטוניקת מיקרוגל. מנקודת המבט של יישום פוטון במיקרוגל, מאמר זה סוקר את ההשפעה והמשמעות של טכנולוגיית שילוב פוטון המבוססת על ליתיום ניובאט סרט דק על פיתוח טכנולוגיית פוטון מיקרוגל.

חומר ליתיום ניובאט סרט דק וסרט דקאפנן ליתיום ניובאט
בשנתיים האחרונות, הופיע סוג חדש של חומר ליתיום ניובאט, כלומר, סרט הליתיום ניובאט מקולף מהגביש המסיבי של ליתיום ניובאט בשיטה של ​​"חיתוך יונים" ונקשר ל-Si עם שכבת חיץ סיליקה. טופס חומר LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], אשר נקרא במאמר זה חומר ליתיום ניובאט סרט דק. ניתן לחרוט מוליכי גל רכס בגובה של יותר מ-100 ננומטר על חומרי ליתיום ניובאט סרט דק על ידי תהליך תחריט יבש אופטימלי, והפרש אינדקס השבירה האפקטיבי של מוליכי הגלים הנוצרים יכול להגיע ליותר מ-0.8 (גבוה בהרבה מההפרש מקדם השבירה של המסורתי מוליכי גל ליתיום ניובאט של 0.02), כפי שמוצג באיור 1. מוליך הגלים המוגבל מאוד מקל על התאמת שדה האור לשדה המיקרוגל בעת תכנון המאפנן. לפיכך, מועיל להשיג מתח חצי גל נמוך יותר ורוחב פס אפנון גדול יותר באורך קצר יותר.

המראה של מוליך גל תת-מיקרוני של ליתיום ניובאט בהפסד נמוך שובר את צוואר הבקבוק של מתח הנעה גבוה של מאפנן אלקטרו-אופטי ליתיום ניובאט מסורתי. ניתן להקטין את מרווח האלקטרודות ל-~5 מיקרומטר, והחפיפה בין השדה החשמלי לשדה המצב האופטי גדלה מאוד, וה-vπ ·L יורד מיותר מ-20 V·cm לפחות מ-2.8 V·cm. לכן, תחת אותו מתח חצי גל, ניתן להפחית במידה ניכרת את אורך המכשיר בהשוואה למאפנן המסורתי. יחד עם זאת, לאחר אופטימיזציה של הפרמטרים של הרוחב, העובי והמרווח של אלקטרודת הגל הנוסע, כפי שמוצג באיור, המאפנן יכול להיות בעל יכולת של רוחב פס אפנון גבוה במיוחד הגדול מ-100 GHz.

איור 1 （a） התפלגות מצב מחושבת （b） תמונה של החתך של מוליך גל LN

איור 2 （a） מבנה מוליך גל ואלקטרודות ו（b） לוחית core של מאפנן LN

ההשוואה של מאפננים ליתיום ניובאט סרט דק עם מאפננים מסחריים ליתיום ניובאט, מאפננים מבוססי סיליקון ומאפננים אינדיום פוספיד (InP) ומאפננים אלקטרו-אופטיים מהירים אחרים קיימים, הפרמטרים העיקריים של ההשוואה כוללים:
(1) תוצר באורך וולט חצי גל (vπ ·L, V·cm), מדידת יעילות האפנון של המודולטור, ככל שהערך קטן יותר, כך יעילות האפנון גבוהה יותר;
(2) רוחב פס אפנון של 3 dB (GHz), המודד את התגובה של המאפנן לאפנון בתדר גבוה;
(3) אובדן הכנסה אופטית (dB) באזור האפנון. ניתן לראות מהטבלה כי למאפנן ליתיום ניובאט סרט דק יש יתרונות ברורים ברוחב פס אפנון, מתח חצי גל, אובדן אינטרפולציה אופטית וכן הלאה.

סיליקון, כאבן היסוד של אלקטרוניקה אופטו משולבת, פותח עד כה, התהליך בשל, המזעור שלו תורם לאינטגרציה בקנה מידה גדול של מכשירים אקטיביים/פאסיביים, והמאפנן שלו נחקר באופן נרחב ומעמיק בתחום האופטי. תִקשׁוֹרֶת. מנגנון האפנון האלקטרו-אופטי של סיליקון הוא בעיקר דלדול נשא, הזרקת נשא וצבירת נשא. ביניהם, רוחב הפס של המאפנן הוא אופטימלי עם מנגנון דלדול הנשאים בדרגה ליניארית, אך מכיוון שהתפלגות השדה האופטי חופפת לאי האחידות של אזור הדלדול, אפקט זה יציג עיוות לא ליניארי מסדר שני ועיוות אינטרמודולציה מסדר שלישי מונחים, יחד עם השפעת הקליטה של ​​הספק על האור, מה שיוביל להפחתת משרעת האמפליטודה האופטית ועיוות האות.

למאפנן InP יש אפקטים אלקטרו-אופטיים יוצאי דופן, ומבנה הבאר הקוונטי הרב-שכבתי יכול לממש מאפננים בקצב גבוה במיוחד ומתח הנעה נמוך עם Vπ·L עד 0.156V · מ"מ. עם זאת, השונות של מקדם השבירה עם השדה החשמלי כוללת מונחים ליניאריים ולא ליניאריים, והעלייה בעוצמת השדה החשמלי תגרום לבולטות של אפקט מסדר שני. לכן, מאפננים אלקטרו-אופטיים של סיליקון ו-InP צריכים להפעיל הטיה כדי ליצור צומת pn כשהם עובדים, וצומת pn יביא לאור אובדן ספיגה. עם זאת, גודל המאפנן של שני אלה קטן, גודל המאפנן המסחרי של InP הוא 1/4 ממאפנן LN. יעילות אפנון גבוהה, מתאימה לרשתות שידור אופטיות דיגיטליות בצפיפות גבוהה ולמרחקים קצרים כגון מרכזי נתונים. להשפעה האלקטרו-אופטית של ליתיום ניובאט אין מנגנון קליטת אור ואובדן נמוך, המתאים לקוהרנטי למרחקים ארוכיםתקשורת אופטיתעם קיבולת גדולה וקצב גבוה. ביישום פוטון מיקרוגל, המקדמים האלקטרו-אופטיים של Si ו- InP אינם ליניאריים, דבר שאינו מתאים למערכת הפוטונים במיקרוגל שרודפת אחרי ליניאריות גבוהה ודינמיקה גדולה. חומר הליתיום ניובט מתאים מאוד ליישום פוטון במיקרוגל בגלל מקדם אפנון אלקטרו-אופטי ליניארי לחלוטין שלו.