Integrasiýa edilen mikrotolkun foton tehnologiýasynda inçe plýonkaly litiý niobatyň artykmaçlyklary we ähmiýeti
Mikrotolkunly foton tehnologiýasyuly iş geçirijilik ukyby, güýçli parallel işleme ukyby we pes geçirijilik ýitgisi ýaly artykmaçlyklara eýedir, bu bolsa däp bolan mikrotolkun ulgamynyň tehniki päsgelçiliklerini aradan aýyrmak we radar, elektron uruş, aragatnaşyk we ölçeg we gözegçilik ýaly harby elektron maglumat enjamlarynyň işini gowulandyrmak mümkinçiligine eýedir. Şeýle-de bolsa, diskret enjamlara esaslanýan mikrotolkun foton ulgamynda uly göwrüm, agyr agram we pes durnuklylyk ýaly käbir meseleler bar, bu bolsa kosmos we howa platformalarynda mikrotolkun foton tehnologiýasynyň ulanylmagyny çynlakaý çäklendirýär. Şonuň üçin integrasiýa edilen mikrotolkun foton tehnologiýasy harby elektron maglumat ulgamynda mikrotolkun fotonyň ulanylmagyny aradan aýyrmak we mikrotolkun foton tehnologiýasynyň artykmaçlyklaryndan doly peýdalanmak üçin möhüm goldawa öwrülýär.
Häzirki wagtda, SI esasly fotonik integrasiýa tehnologiýasy we INP esasly fotonik integrasiýa tehnologiýasy optiki aragatnaşyk ulgamynda köp ýyllyk ösüşden soň has-da kämilleşdi we köp önümler bazara çykaryldy. Şeýle-de bolsa, mikrotolkunly fotonyň ulanylyşy üçin bu iki görnüşli foton integrasiýa tehnologiýasynda käbir meseleler bar: mysal üçin, Si modulýatorynyň we InP modulýatorynyň çyzykly däl elektro-optik koeffisiýenti mikrotolkunly foton tehnologiýasynyň yzarlaýan ýokary çyzyklylygyna we uly dinamiki häsiýetlerine ters gelýär; Mysal üçin, termal-optik täsire, pýezoelektrik täsire ýa-da daşaýjy inýeksiýanyň dispersiýa täsirine esaslanýan optiki ýol geçişini amala aşyrýan kremniý optik açary, çalt şöhle skanirleme we uly massiw ölçegli mikrotolkunly foton ulanylyşlaryna laýyk gelmeýän haýal geçiş tizligi, energiýa sarp edilişi we ýylylyk sarp edilişi ýaly kynçylyklara eýedir.
Litiý niobaty ýokary tizlik üçin hemişe ilkinji saýlaw bolupdyrelektro-optiki modulýasiýaajaýyp çyzykly elektro-optiki täsiri sebäpli materiallar. Şeýle-de bolsa, däp bolan litium niobatyelektro-optiki modulýatoruly litium niobaty kristal materialyndan ýasalýar we enjamyň ölçegi örän uly, bu bolsa integrasiýa edilen mikrotolkun foton tehnologiýasynyň zerurlyklaryny kanagatlandyryp bilmeýär. Litiý niobaty materiallaryny integrasiýa edilen mikrotolkun foton tehnologiýasy ulgamyna nädip integrasiýa etmek degişli ylmy işgärleriň maksadyna öwrüldi. 2018-nji ýylda ABŞ-nyň Garward uniwersitetiniň ylmy topary ilkinji gezek inçe plýonkaly litium niobaty esasynda foton integrasiýa tehnologiýasyny Tebigatda habar berdi, sebäbi tehnologiýa ýokary integrasiýa, uly elektro-optiki modulýasiýa geçirijilik zolagy we elektro-optiki täsiriň ýokary linearlygy ýaly artykmaçlyklara eýedir, işe girizilenden soň, derrew foton integrasiýa we mikrotolkun fotonika ulgamynda akademiki we senagat ünsüni çekdi. Mikrotolkun fotony ulanmak nukdaýnazaryndan, bu makala inçe plýonkaly litium niobaty esasynda foton integrasiýa tehnologiýasynyň mikrotolkun foton tehnologiýasynyň ösüşine täsirini we ähmiýetini gözden geçirýär.
Inçe plýonkaly litium niobat materialy we inçe plýonkalitium niobaty modulýatory
Soňky iki ýylda litium niobat materialynyň täze görnüşi peýda boldy, ýagny litium niobat plyonkasy “ion dilimlemek” usuly bilen uly litium niobat kristalyndan süzülýär we silika bufer gatlagy bilen Si plastinkasyna birikdirilip, LNOI (LiNbO3-On-Insulator) materialyny emele getirýär [5], bu makalada oňa inçe plýonkaly litium niobat materialy diýilýär. 100 nanometrden ýokary beýiklikdäki gyra tolkun geçirijileri inçe plýonkaly litium niobat materiallaryna optimizirlenen gurak aşındyrma prosesi arkaly aşındyrylyp bilner we emele gelen tolkun geçirijileriniň netijeli döwülme görkezijisiniň tapawudy 1-nji suratda görkezilişi ýaly 0,8-den gowrak bolup biler (adaty litium niobat tolkun geçirijileriniň döwülme görkezijisiniň tapawudy 0,02-den has ýokary). Güýçli çäklendirilen tolkun geçirijisi modulýatory dizaýn edende ýagtylyk meýdanyny mikrotolkun meýdany bilen utgaşdyrmagy aňsatlaşdyrýar. Şeýlelik bilen, gysga uzynlykda pes ýarym tolkun naprýaženiýesine we has uly modulýasiýa geçirijilik zolagyna ýetmek peýdalydyr.
Pes ýitgili litium niobatyň submikron tolkun geçirijisiniň peýda bolmagy däp bolan litium niobatyň elektro-optik modulýatorynyň ýokary hereketlendiriji naprýaženiýesiniň päsgelçiliklerini aradan aýyrýar. Elektrod aralygyny ~ 5 μm çenli azaltmak mümkin, şeýle hem elektrik meýdany bilen optiki režim meýdanynyň arasyndaky üst-üste düşüş ep-esli artýar we vπ ·L 20 V·sm-den 2,8 V·sm-den az azalýar. Şonuň üçin, şol bir ýarym tolkun naprýaženiýesinde, enjamyň uzynlygyny däp bolan modulýator bilen deňeşdirilende ep-esli azaltmaga bolýar. Şol bir wagtyň özünde, suratda görkezilişi ýaly, hereket edýän tolkun elektrodynyň ini, galyňlygy we aralygynyň parametrlerini optimizirländen soň, modulýator 100 GHz-den ýokary ultra ýokary modulýasiýa geçirijilik ukybyna eýe bolup biler.
Şekil 1 (a) hasaplanan modanyň paýlanyşy we LN tolkun geçirijisiniň kese-kesiginiň (b) şekili
Şekil 2 (a) LN modulýatorynyň tolkun geçirijisiniň we elektrodyň gurluşy we (b) özen plitasy
Inçe plýonkaly litium niobaty modulýatorlaryny däp bolan litium niobaty täjirçilik modulýatorlary, kremniý esasly modulýatorlar we indiý fosfid (InP) modulýatorlary we beýleki bar bolan ýokary tizlikli elektro-optiki modulýatorlar bilen deňeşdirmekde, deňeşdirmäniň esasy parametrleri aşakdakylary öz içine alýar:
(1) Modulýatoryň modulýasiýa netijeliligini ölçeýän ýarym tolkunly wolt uzynlygyndaky önüm (vπ ·L, V·sm), gymmat näçe kiçi bolsa, modulýasiýa netijeliligi şonça ýokary bolýar;
(2) modulýatoryň ýokary ýygylykly modulýasiýa jogabyny ölçeýän 3 dB modulýasiýa geçirijilik zolagy (GHz);
(3) Modulýasiýa sebitinde optiki girizme ýitgisi (dB). Tablisadan görnüşi ýaly, inçe plýonkaly litium niobaty modulýatorynyň modulýasiýa geçirijilik zolagynda, ýarym tolkunly naprýaženiýede, optiki interpolýasiýa ýitgisinde we ş.m. aýdyň artykmaçlyklara eýe.
Integrasiýa edilen optoelektronikanyň esasy hökmünde kremniý şu wagta çenli işlenip düzüldi, bu proses kämil, onuň kiçileşdirilmegi işjeň/passiw enjamlaryň giň möçberli integrasiýasyna amatlydyr we onuň modulýatory optiki aragatnaşyk ulgamynda giňden we çuňňur öwrenildi. Kremniýiň elektro-optiki modulýasiýa mehanizmi, esasan, daşaýjynyň azalmagy, daşaýjynyň inýeksiýasy we daşaýjynyň toplanmagydyr. Olaryň arasynda modulýatoryň geçirijilik ukyby çyzykly derejeli daşaýjynyň azalmagy mehanizmi bilen iň amatlydyr, ýöne optiki meýdanyň paýlanyşy azalma sebitiniň deňsizligi bilen gabat gelýändigi sebäpli, bu täsir çyzykly däl ikinji derejeli bozulma we üçünji derejeli intermodulýasiýa bozulma şertlerini girizer, şeýle hem daşaýjynyň ýagtylyga siňdiriş täsiri bilen birleşer, bu bolsa optiki modulýasiýa amplitudasynyň we signalyň bozulmasynyň azalmagyna getirer.
InP modulýatorynyň ajaýyp elektro-optiki täsirleri bar we köp gatlakly kwantum guýusynyň gurluşy 0,156V · mm çenli Vπ·L bilen ultra ýokary tizlikli we pes hereketlendiriji naprýaženiýe modulýatorlaryny amala aşyryp bilýär. Şeýle-de bolsa, elektrik meýdany bilen döwülme görkezijisiniň üýtgemegi çyzykly we çyzykly däl şertleri öz içine alýar we elektrik meýdanynyň intensiwliginiň artmagy ikinji derejeli täsiri aýdyňlaşdyrar. Şonuň üçin kremniý we InP elektro-optiki modulýatorlary işlänlerinde pn geçişini emele getirmek üçin egrilik ulanmaly we pn geçişi ýagtylyga siňdiriş ýitgisini getirer. Şeýle-de bolsa, bu ikisiniň modulýator ululygy kiçi, täjirçilik InP modulýator ululygy LN modulýatorynyň 1/4 bölegine deňdir. Ýokary modulýasiýa netijeliligi, maglumat merkezleri ýaly ýokary dykyzlykly we gysga aralykly sanly optiki geçirijilik ulgamlary üçin amatly. Litiý niobatyň elektro-optiki täsiri ýagtylygy siňdiriş mehanizmine we pes ýitgilere eýe däl, bu bolsa uzak aralykly kogerent üçin amatlydyr.optiki aragatnaşykuly kuwwatlylyk we ýokary tizlik bilen. Mikrotolkunly foton ulanylyşynda Si we InP-niň elektro-optiki koeffisiýentleri çyzykly däl, bu bolsa ýokary çyzyklylygy we uly dinamikany yzarlaýan mikrotolkunly foton ulgamy üçin amatly däl. Litiý niobaty materialy doly çyzykly elektro-optiki modulýasiýa koeffisiýenti sebäpli mikrotolkunly foton ulanylyşyna örän amatlydyr.
Ýerleşdirilen wagty: 2024-nji ýylyň 22-nji apreli