Nyenzo nyembamba ya lithiamu niobate na moduli nyembamba ya lithiamu niobate ya filamu

Manufaa na umuhimu wa filamu nyembamba ya lithiamu niobate katika teknolojia jumuishi ya microwave photon

Teknolojia ya Photon ya Microwaveina faida za kipimo data kikubwa cha kufanya kazi, uwezo mkubwa wa usindikaji sambamba na upotevu mdogo wa maambukizi, ambayo ina uwezo wa kuvunja kizuizi cha kiufundi cha mfumo wa jadi wa microwave na kuboresha utendaji wa vifaa vya habari vya kielektroniki vya kijeshi kama vile rada, vita vya kielektroniki, mawasiliano na kipimo na kudhibiti. Hata hivyo, mfumo wa fotoni wa microwave kulingana na vifaa vya kipekee una matatizo fulani kama vile sauti kubwa, uzito mzito na uthabiti duni, ambayo inazuia kwa umakini matumizi ya teknolojia ya fotoni ya microwave katika majukwaa yanayopeperushwa angani na angani. Kwa hiyo, teknolojia jumuishi ya picha ya microwave inakuwa msaada muhimu wa kuvunja utumizi wa microwave photon katika mfumo wa habari wa kielektroniki wa kijeshi na kutoa uchezaji kamili kwa manufaa ya teknolojia ya microwave photon.

Kwa sasa, teknolojia ya ushirikiano wa picha ya SI-msingi ya SI na teknolojia ya ushirikiano wa picha ya INP-based imekua zaidi na zaidi baada ya maendeleo ya miaka mingi katika uwanja wa mawasiliano ya macho, na bidhaa nyingi zimewekwa sokoni. Walakini, kwa utumiaji wa fotoni ya microwave, kuna shida kadhaa katika aina hizi mbili za teknolojia ya ujumuishaji wa fotoni: kwa mfano, mgawo wa kielektroniki wa macho usio na mstari wa moduli ya Si na moduli ya InP ni kinyume na safu ya juu na sifa kubwa za nguvu zinazofuatwa na microwave. teknolojia ya photon; Kwa mfano, swichi ya silicon inayotambua ubadilishaji wa njia ya macho, iwe kulingana na athari ya joto-macho, athari ya piezoelectric, au athari ya msambazaji wa sindano, ina matatizo ya kasi ya polepole ya kubadili, matumizi ya nguvu na matumizi ya joto, ambayo hayawezi kukidhi haraka. utambazaji wa boriti na utumizi wa picha za microwave za safu kubwa.

Lithium niobate daima imekuwa chaguo la kwanza kwa kasi ya juumoduli ya electro-opticvifaa kwa sababu ya athari yake bora ya kielektroniki ya macho. Hata hivyo, jadi lithiamu niobatemoduli ya electro-opticalimeundwa kwa nyenzo kubwa ya kioo ya lithiamu niobate, na saizi ya kifaa ni kubwa sana, ambayo haiwezi kukidhi mahitaji ya teknolojia iliyojumuishwa ya microwave photon. Jinsi ya kuunganisha nyenzo za niobate za lithiamu na mgawo wa kielektroniki wa macho kwenye mfumo wa teknolojia ya fotoni ya microwave limekuwa lengo la watafiti husika. Mnamo mwaka wa 2018, timu ya watafiti kutoka Chuo Kikuu cha Harvard nchini Marekani iliripoti kwa mara ya kwanza teknolojia ya kuunganisha picha kulingana na filamu nyembamba ya lithiamu niobate katika Nature, kwa sababu teknolojia ina faida za ushirikiano wa juu, kipimo kikubwa cha moduli ya electro-optical, na mstari wa juu wa electro-optical modulering. -athari ya macho, mara moja ilizinduliwa, mara moja ilisababisha tahadhari ya kitaaluma na viwanda katika uwanja wa ushirikiano wa picha na picha za microwave. Kwa mtazamo wa utumizi wa picha za microwave, karatasi hii inakagua ushawishi na umuhimu wa teknolojia ya ujumuishaji wa fotoni kulingana na filamu nyembamba ya lithiamu niobate juu ya maendeleo ya teknolojia ya microwave photon.

Filamu nyembamba ya lithiamu niobate nyenzo na filamu nyembambamoduli ya niobate ya lithiamu
Katika miaka miwili ya hivi karibuni, aina mpya ya nyenzo za lithiamu niobate imeibuka, ambayo ni, filamu ya lithiamu niobate imetolewa kutoka kwa kioo kikubwa cha lithiamu niobate kwa njia ya "kukata ioni" na kuunganishwa kwa kaki ya Si na safu ya silika ya bafa. kuunda LNOI (LiNbO3-On-Insulator) nyenzo [5], ambayo inaitwa nyenzo nyembamba ya lithiamu niobate katika karatasi hii. Miongozo ya mawimbi yenye urefu wa zaidi ya nanomita 100 inaweza kupachikwa kwenye nyenzo nyembamba ya lithiamu niobate kwa mchakato ulioboreshwa wa kuangazia, na tofauti bora ya fahirisi ya refractive ya miongozo ya mawimbi inayoundwa inaweza kufikia zaidi ya 0.8 (juu zaidi ya tofauti ya fahirisi ya refractive ya jadi. miongozo ya mawimbi ya lithiamu niobate ya 0.02), kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Mwongozo wa wimbi uliowekewa vikwazo hurahisisha kulinganisha uga wa mwanga na uga wa microwave wakati wa kubuni moduli. Kwa hivyo, ni faida kufikia voltage ya chini ya nusu-wimbi na bandwidth kubwa ya urekebishaji kwa urefu mfupi.

Mwonekano wa mwongozo wa mawimbi wa lithiamu niobate submicron yenye hasara ya chini huvunja kizuizi cha voltage ya juu ya kuendesha gari ya moduli ya kielektroniki ya lithiamu niobate ya kielektroniki. 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 hiyo, chini ya voltage sawa ya nusu ya wimbi, urefu wa kifaa unaweza kupunguzwa sana ikilinganishwa na moduli ya jadi. Wakati huo huo, baada ya kuboresha vigezo vya upana, unene na muda wa electrode ya wimbi la kusafiri, kama inavyoonyeshwa kwenye takwimu, moduli inaweza kuwa na uwezo wa bandwidth ya juu-juu zaidi ya 100 GHz.

Kielelezo 1 (a) msambazaji wa hali iliyokokotolewa na (b) picha ya sehemu mtambuka ya mwongozo wa wimbi la LN

Kielelezo 2 (a) Muundo wa mwongozo wa wimbi na elektrodi na (b) sahani kuu ya moduli ya LN

Ulinganisho wa vidhibiti vya filamu nyembamba vya lithiamu niobate na vidhibiti vya kitamaduni vya kibiashara vya lithiamu niobate, vidhibiti vinavyotegemea silicon na vidhibiti vya indium phosfidi (InP) na vidhibiti vingine vilivyopo vya kasi ya juu vya kielektroniki, vigezo kuu vya kulinganisha ni pamoja na:
(1) Bidhaa yenye urefu wa volt-nusu ya wimbi (vπ ·L, V·cm), ikipima ufanisi wa urekebishaji wa moduli, kadiri thamani inavyokuwa ndogo, ndivyo ufanisi wa urekebishaji unavyoongezeka;
(2) kipimo data cha 3 dB (GHz), ambacho hupima mwitikio wa moduli kwa urekebishaji wa masafa ya juu;
(3) Upotezaji wa uwekaji wa macho (dB) katika eneo la urekebishaji. Inaweza kuonekana kutoka kwa jedwali kwamba moduli nyembamba ya lithiamu niobate ya filamu ina faida dhahiri katika upanuzi wa kipimo, voltage ya nusu-wimbi, upotezaji wa tafsiri ya macho na kadhalika.

Silicon, kama msingi wa optoelectronics jumuishi, imeendelezwa hadi sasa, mchakato umekomaa, miniaturization yake inafaa kwa ujumuishaji mkubwa wa vifaa vinavyofanya kazi / passiv, na moduli yake imesomwa kwa upana na kwa kina katika uwanja wa macho. mawasiliano. Utaratibu wa urekebishaji wa elektro-macho wa silicon ni mtoa huduma wa kupunguka, sindano ya mbebaji na mkusanyiko wa mtoa huduma. Miongoni mwao, kipimo data cha moduli ni sawa na utaratibu wa upunguzaji wa mtoa huduma wa shahada ya mstari, lakini kwa sababu usambazaji wa uwanja wa macho unaingiliana na kutokuwa na usawa wa eneo la kupungua, athari hii itaanzisha upotovu wa mpangilio wa pili usio na mstari na upotoshaji wa utaratibu wa tatu. masharti, pamoja na athari ya ngozi ya carrier kwenye mwanga, ambayo itasababisha kupunguzwa kwa amplitude ya urekebishaji wa macho na upotovu wa ishara.

Kidhibiti cha InP kina athari bora za kielektroniki, na muundo wa kisima chenye tabaka nyingi unaweza kutambua vidhibiti vya kiwango cha juu na cha chini cha kuendesha gari kwa Vπ·L hadi 0.156V · mm. Hata hivyo, tofauti ya ripoti ya refractive na uwanja wa umeme ni pamoja na maneno ya mstari na yasiyo ya mstari, na ongezeko la nguvu ya shamba la umeme litafanya athari ya pili ya pili kuwa maarufu. Kwa hivyo, vidhibiti vya silicon na InP electro-optic vinahitaji kutumia upendeleo kuunda makutano ya pn vinapofanya kazi, na makutano ya pn yataleta hasara ya unyonyaji kwenye mwanga. Walakini, saizi ya moduli ya hizi mbili ni ndogo, saizi ya moduli ya InP ya kibiashara ni 1/4 ya moduli ya LN. Ufanisi wa hali ya juu wa urekebishaji, unaofaa kwa msongamano wa juu na mitandao ya utumaji wa macho ya kidijitali ya umbali mfupi kama vile vituo vya data. Athari ya kielektroniki ya niobate ya lithiamu haina utaratibu wa kunyonya mwanga na upotezaji mdogo, ambao unafaa kwa madhubuti ya umbali mrefu.mawasiliano ya machona uwezo mkubwa na kiwango cha juu. Katika programu ya photon ya microwave, coefficients ya electro-optical ya Si na InP sio mstari, ambayo haifai kwa mfumo wa photon wa microwave ambao hufuata usawa wa juu na mienendo mikubwa. Nyenzo ya lithiamu niobate inafaa sana kwa utumizi wa picha za microwave kwa sababu ya mgawo wake wa urekebishaji wa kielektroniki wa macho.