Nyenzo nyembamba ya lithiamu niobate na modulator nyembamba ya lithiamu niobate

Faida na umuhimu wa lithiamu nyembamba ya niobate katika teknolojia jumuishi ya fotoni ya microwave

Teknolojia ya fotoni ya maikroweviIna faida za kipimo data kikubwa cha kufanya kazi, uwezo mkubwa wa usindikaji sambamba na upotevu mdogo wa upitishaji, ambao una uwezo wa kuvunja kizuizi cha kiufundi cha mfumo wa jadi wa maikrowevu na kuboresha utendaji wa vifaa vya habari vya kielektroniki vya kijeshi kama vile rada, vita vya kielektroniki, mawasiliano na kipimo na udhibiti. Hata hivyo, mfumo wa maikrowevu wa fotoni unaotegemea vifaa tofauti una matatizo kama vile ujazo mkubwa, uzito mzito na uthabiti duni, ambayo huzuia sana matumizi ya teknolojia ya maikrowevu ya fotoni katika majukwaa yanayosafirishwa angani na angani. Kwa hivyo, teknolojia jumuishi ya maikrowevu ya fotoni inakuwa msaada muhimu wa kuvunja matumizi ya maikrowevu ya fotoni katika mfumo wa habari wa kielektroniki wa kijeshi na kutoa mchango kamili kwa faida za teknolojia ya maikrowevu ya fotoni.

Kwa sasa, teknolojia ya ujumuishaji wa fotoniki inayotegemea SI na teknolojia ya ujumuishaji wa fotoniki inayotegemea INP imekua zaidi baada ya miaka mingi ya maendeleo katika uwanja wa mawasiliano ya macho, na bidhaa nyingi zimeingizwa sokoni. Hata hivyo, kwa matumizi ya fotoni ya microwave, kuna matatizo kadhaa katika aina hizi mbili za teknolojia za ujumuishaji wa fotoni: kwa mfano, mgawo wa elektroni-macho usio wa mstari wa modulator ya Si na modulator ya InP ni kinyume na ulinganifu wa juu na sifa kubwa za nguvu zinazofuatwa na teknolojia ya fotoni ya microwave; Kwa mfano, swichi ya macho ya silicon inayotambua ubadilishaji wa njia ya macho, iwe kulingana na athari ya joto-macho, athari ya piezoelectric, au athari ya usambazaji wa sindano ya carrier, ina matatizo ya kasi ya kubadili polepole, matumizi ya nguvu na matumizi ya joto, ambayo hayawezi kukidhi skanning ya haraka ya boriti na matumizi ya fotoni ya microwave yenye kiwango kikubwa cha safu.

Lithiamu niobate imekuwa chaguo la kwanza kwa magari ya mwendo kasimoduli ya elektroni-optikivifaa kwa sababu ya athari yake bora ya elektroni-optiki ya mstari. Hata hivyo, lithiamu ya jadi niobatemodulator ya elektroni-machoImetengenezwa kwa nyenzo kubwa ya fuwele ya lithiamu niobate, na ukubwa wa kifaa ni mkubwa sana, ambao hauwezi kukidhi mahitaji ya teknolojia ya fotoni ya microwave iliyojumuishwa. Jinsi ya kuunganisha vifaa vya lithiamu niobate na mgawo wa elektroni-macho wa mstari katika mfumo wa teknolojia ya fotoni ya microwave iliyojumuishwa imekuwa lengo la watafiti husika. Mnamo 2018, timu ya utafiti kutoka Chuo Kikuu cha Harvard nchini Marekani iliripoti kwa mara ya kwanza teknolojia ya ujumuishaji wa fotoni kulingana na lithiamu niobate ya filamu nyembamba katika Nature, kwa sababu teknolojia hiyo ina faida za ujumuishaji wa juu, kipimo data kikubwa cha moduli ya electro-macho, na mstari wa juu wa athari ya electro-macho, mara tu ilipozinduliwa, ilisababisha umakini wa kitaaluma na viwanda katika uwanja wa ujumuishaji wa fotoni na fotoni za microwave. Kwa mtazamo wa matumizi ya fotoni za microwave, karatasi hii inakagua ushawishi na umuhimu wa teknolojia ya ujumuishaji wa fotoni kulingana na lithiamu niobate ya filamu nyembamba kwenye maendeleo ya teknolojia ya fotoni za microwave.

Nyenzo nyembamba ya lithiamu niobate na filamu nyembambakidhibiti cha lithiamu niobate
Katika miaka miwili ya hivi karibuni, aina mpya ya nyenzo ya lithiamu niobate imeibuka, yaani, filamu ya lithiamu niobate huondolewa kwenye fuwele kubwa ya lithiamu niobate kwa njia ya "kukata ioni" na kuunganishwa kwenye wafer ya Si kwa safu ya bafa ya silika ili kuunda nyenzo ya LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], ambayo inaitwa nyenzo ya lithiamu niobate ya filamu nyembamba katika karatasi hii. Miongozo ya mawimbi ya ridge yenye urefu wa zaidi ya nanomita 100 inaweza kuchorwa kwenye nyenzo nyembamba za lithiamu niobate kwa mchakato ulioboreshwa wa kuchorwa kwa kavu, na tofauti ya faharasa ya kuakisi yenye ufanisi ya miongozo ya mawimbi iliyoundwa inaweza kufikia zaidi ya 0.8 (juu zaidi kuliko tofauti ya faharasa ya kuakisi ya miongozo ya mawimbi ya jadi ya lithiamu niobate ya 0.02), kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Mwongozo wa mawimbi uliopunguzwa sana hurahisisha kulinganisha uwanja wa mwanga na uwanja wa microwave wakati wa kubuni modulator. Kwa hivyo, ni muhimu kufikia volteji ya chini ya nusu-wimbi na kipimo data kikubwa cha moduli kwa urefu mfupi.

Kuonekana kwa mwongozo wa wimbi la lithiamu niobate submicron wenye hasara ndogo huvunja kizuizi cha volteji ya juu ya kidhibiti cha elektroniki cha lithiamu niobate cha jadi. Nafasi ya elektrodi inaweza kupunguzwa hadi ~ 5 μm, na mwingiliano kati ya uwanja wa umeme na uwanja wa hali ya macho huongezeka sana, na vπ ·L hupungua kutoka zaidi ya 20 V·cm hadi chini ya 2.8 V·cm. Kwa hivyo, chini ya volteji sawa ya nusu-wimbi, urefu wa kifaa unaweza kupunguzwa sana ikilinganishwa na kidhibiti cha jadi. Wakati huo huo, baada ya kuboresha vigezo vya upana, unene na muda wa elektrodi ya wimbi linalosafiri, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro, kidhibiti kinaweza kuwa na uwezo wa kipimo data cha moduli cha juu sana zaidi ya 100 GHz.

Mchoro 1 (a) uliohesabiwa usambazaji wa hali na picha ya （b） ya sehemu mtambuka ya mwongozo wa wimbi la LN

Mchoro 2 （a） Muundo wa mwongozo wa mawimbi na elektrodi na （b） bamba kuu la kidhibiti cha LN

Ulinganisho wa vidhibiti vya lithiamu niobate vya filamu nyembamba na vidhibiti vya kibiashara vya lithiamu niobate vya jadi, vidhibiti vinavyotegemea silikoni na vidhibiti vya indium fosfidi (InP) na vidhibiti vingine vya elektroni-macho vilivyopo vya kasi ya juu, vigezo vikuu vya ulinganisho ni pamoja na:
(1) Bidhaa yenye urefu wa volti nusu-wimbi (vπ ·L, V·cm), ikipima ufanisi wa moduli ya moduli, kadiri thamani inavyopungua, ndivyo ufanisi wa moduli unavyoongezeka;
(2) kipimo data cha moduli cha 3 dB (GHz), ambacho hupima mwitikio wa moduli kwa moduli ya masafa ya juu;
(3) Upotevu wa uingizaji wa macho (dB) katika eneo la urekebishaji. Inaweza kuonekana kutoka kwenye jedwali kwamba modulator ya lithiamu niobate ya filamu nyembamba ina faida dhahiri katika kipimo data cha urekebishaji, volti ya nusu-wimbi, upotevu wa uingilizi wa macho na kadhalika.

Silicon, kama msingi wa optoelectronics jumuishi, imetengenezwa hadi sasa, mchakato umekomaa, udogo wake unachangia ujumuishaji mkubwa wa vifaa amilifu/tulivu, na modulator yake imesomwa sana na kwa undani katika uwanja wa mawasiliano ya macho. Utaratibu wa moduli ya elektroni-macho wa silicon ni hasa uondoaji wa mbebaji, sindano ya mbebaji na mkusanyiko wa mbebaji. Miongoni mwao, kipimo data cha modulator ni bora zaidi na utaratibu wa uondoaji wa mbebaji wa shahada ya mstari, lakini kwa sababu usambazaji wa uwanja wa macho unaingiliana na kutolingana kwa eneo la uondoaji, athari hii itaanzisha upotoshaji usio wa mstari wa pili na masharti ya upotoshaji wa kati ya mpangilio wa tatu, pamoja na athari ya unyonyaji wa mbebaji kwenye mwanga, ambayo itasababisha kupungua kwa amplitude ya moduli ya macho na upotoshaji wa ishara.

Moduli ya InP ina athari bora za elektroni-macho, na muundo wa kisima cha quantum chenye tabaka nyingi unaweza kufikia vidhibiti vya volteji vya kiwango cha juu sana na vya chini vya kuendesha na Vπ·L hadi 0.156V · mm. Hata hivyo, tofauti ya faharisi ya kuakisi na uwanja wa umeme inajumuisha masharti ya mstari na yasiyo ya mstari, na ongezeko la nguvu ya uwanja wa umeme litafanya athari ya mpangilio wa pili kuwa dhahiri. Kwa hivyo, vidhibiti vya silicon na InP vya elektroni-macho vinahitaji kutumia upendeleo kuunda makutano ya pn vinapofanya kazi, na makutano ya pn yataleta hasara ya unyonyaji kwenye mwanga. Hata hivyo, ukubwa wa modulator wa hizi mbili ni mdogo, ukubwa wa modulator ya kibiashara ya InP ni 1/4 ya modulator ya LN. Ufanisi mkubwa wa moduli, unaofaa kwa mitandao ya upitishaji wa macho ya dijitali yenye msongamano mkubwa na umbali mfupi kama vile vituo vya data. Athari ya elektroni-macho ya lithiamu niobate haina utaratibu wa unyonyaji wa mwanga na hasara ndogo, ambayo inafaa kwa uratibu wa umbali mrefu.mawasiliano ya machoyenye uwezo mkubwa na kiwango cha juu. Katika matumizi ya fotoni ya microwave, viegemezi vya elektroni-optic vya Si na InP si vya mstari, ambavyo havifai kwa mfumo wa fotoni ya microwave unaofuata mstari wa juu na mienendo mikubwa. Nyenzo ya lithiamu niobate inafaa sana kwa matumizi ya fotoni ya microwave kwa sababu ya mgawo wake wa moduli ya elektroni-optic ya mstari kabisa.