مُعدِّل كهروضوئي من نيوبات الليثيوم ذو طبقة رقيقة متكاملة أعلى

خطية عاليةمعدِّل كهروضوئيوتطبيق الفوتون الميكروويف
مع تزايد متطلبات أنظمة الاتصالات، ولتحسين كفاءة نقل الإشارات، سيدمج الناس الفوتونات والإلكترونات لتحقيق مزايا تكميلية، وستظهر فوتونيات الموجات الدقيقة. يُعدّ المُعدِّل الكهروضوئي ضروريًا لتحويل الكهرباء إلى ضوء في...أنظمة الفوتونيات الميكروويفيةوهذه الخطوة الأساسية عادةً ما تُحدد أداء النظام بأكمله. ونظرًا لأن تحويل إشارة التردد اللاسلكي إلى مجال بصري هو عملية إشارة تناظرية، فإن الإشارات العاديةالمعدلات الكهروضوئيةنظرًا لعدم خطيتها المتأصلة، يحدث تشويه كبير للإشارة أثناء عملية التحويل. لتحقيق تعديل خطي تقريبي، عادةً ما تُثبّت نقطة تشغيل المُعدِّل عند نقطة الانحياز المتعامدة، إلا أنها لا تزال غير قادرة على تلبية متطلبات وصلة فوتون الميكروويف لخطية المُعدِّل. هناك حاجة ماسة لمُعدِّلات كهروضوئية ذات خطية عالية.

عادةً ما يتم تعديل معامل الانكسار عالي السرعة لمواد السيليكون من خلال تأثير تشتت البلازما الحاملة الحرة (FCD). يُعد كلٌّ من تأثير تشتت البلازما الحاملة الحرة وتعديل الوصلة PN غير خطيين، مما يجعل معدِّل السيليكون أقل خطية من معدِّل نيوبات الليثيوم. تتميز مواد نيوبات الليثيوم بخصائص ممتازة.التعديل الكهروضوئيتتميز مادة نيوبات الليثيوم بخصائصها الفريدة بفضل تأثير التجعد. في الوقت نفسه، تتميز مادة نيوبات الليثيوم بنطاق ترددي واسع، وخصائص تعديل جيدة، وخسارة منخفضة، وسهولة التكامل والتوافق مع عمليات أشباه الموصلات. كما أن استخدام نيوبات الليثيوم الرقيق في صناعة مُعدِّل كهروضوئي عالي الأداء، يكاد يخلو من "الصفائح القصيرة" مقارنةً بالسيليكون، ويحقق أيضًا خطية عالية. وقد أصبح المُعدِّل الكهروضوئي على العازل المصنوع من نيوبات الليثيوم الرقيق (LNOI) اتجاهًا واعدًا في التطوير. ومع تطور تقنية تحضير مادة نيوبات الليثيوم الرقيق وتقنية حفر الموجه الموجي، أصبحت كفاءة التحويل العالية والتكامل العالي لمُعدِّل نيوبات الليثيوم الرقيق مجالًا أكاديميًا وصناعيًا دوليًا.

خصائص نيوبات الليثيوم الرقيق
في الولايات المتحدة، أجرى تخطيط DAP AR التقييم التالي لمواد نيوبات الليثيوم: إذا سُمّي مركز الثورة الإلكترونية تيمنًا بمادة السيليكون التي تُمكّنها، فمن المرجح أن يُسمّى مهد الثورة الفوتونية تيمنًا بنيوبات الليثيوم. وذلك لأن نيوبات الليثيوم يجمع بين التأثير الكهروضوئي، والتأثير الصوتي البصري، والتأثير الكهروضغطي، والتأثير الحراري الكهربائي، والتأثير الانكساري الضوئي في آن واحد، تمامًا مثل مواد السيليكون في مجال البصريات.

من حيث خصائص النقل الضوئي، تتميز مادة InP بأكبر فقدان في النقل على الشريحة نتيجة امتصاص الضوء في نطاق 1550 نانومتر الشائع الاستخدام. يتميز SiO2 ونتريد السيليكون بأفضل خصائص النقل، حيث يمكن أن يصل الفقد إلى حوالي 0.01 ديسيبل/سم³. حاليًا، يمكن أن يصل فقدان الدليل الموجي لدليل نيوبات الليثيوم الرقيق إلى 0.03 ديسيبل/سم³، ومن المحتمل أن ينخفض ​​هذا الفقد مع التحسين المستمر للمستوى التكنولوجي مستقبلًا. لذلك، ستُظهر مادة نيوبات الليثيوم الرقيقة أداءً جيدًا في هياكل الضوء السلبية مثل مسار التمثيل الضوئي، والتحويلة، والحلقة الدقيقة.

فيما يتعلق بتوليد الضوء، يمتلك InP فقط القدرة على إصدار الضوء مباشرةً؛ لذلك، لتطبيق فوتونات الموجات الميكروية، من الضروري إدخال مصدر ضوء قائم على InP على الشريحة الفوتونية المتكاملة القائمة على LNOI عن طريق اللحام العكسي أو النمو الفوقي. فيما يتعلق بتعديل الضوء، تم التأكيد سابقًا على أن مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة أسهل في تحقيق نطاق تعديل أكبر، وجهد نصف موجة أقل، وخسارة انتقال أقل مقارنةً بـ InP وSi. علاوة على ذلك، يُعدّ الخطية العالية للتعديل الكهروضوئي لمواد نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة أمرًا أساسيًا لجميع تطبيقات فوتونات الموجات الميكروية.

فيما يتعلق بالتوجيه البصري، فإن الاستجابة الكهروضوئية عالية السرعة لمادة نيوبات الليثيوم الرقيقة تجعل المفتاح البصري القائم على LNOI قادرًا على تحويل التوجيه البصري عالي السرعة، كما أن استهلاك الطاقة لهذا التحويل عالي السرعة منخفض جدًا. بالنسبة للتطبيق النموذجي لتقنية فوتون الميكروويف المتكاملة، تتمتع رقاقة تشكيل الحزمة المُتحكم بها بصريًا بالقدرة على التحويل عالي السرعة لتلبية احتياجات المسح السريع للشعاع، كما أن خصائص استهلاك الطاقة المنخفض للغاية تتكيف جيدًا مع المتطلبات الصارمة لأنظمة المصفوفات الطورية واسعة النطاق. على الرغم من أن المفتاح البصري القائم على InP يمكنه أيضًا تحقيق تحويل مسار بصري عالي السرعة، إلا أنه سيُحدث ضوضاء عالية، وخاصةً عند تشغيل المفتاح البصري متعدد المستويات بشكل متتالي، حيث يتدهور معامل الضوضاء بشكل كبير. لا يمكن لمواد السيليكون وثاني أكسيد السيليكون ونتريد السيليكون تحويل المسارات البصرية إلا من خلال التأثير البصري الحراري أو تأثير تشتت الناقل، مما يُسبب استهلاكًا عاليًا للطاقة وسرعة تحويل بطيئة. عندما يكون حجم مصفوفة المصفوفة الطورية كبيرًا، لا يمكنها تلبية متطلبات استهلاك الطاقة.

من حيث التضخيم البصري،مكبر بصري شبه موصل (هندسة الخدمات الموجهة (SOA)) القائمة على InP جاهزة للاستخدام التجاري، إلا أنها تعاني من عيب ارتفاع معامل الضوضاء وانخفاض طاقة خرج التشبع، مما لا يُناسب تطبيقات فوتونات الموجات الميكروية. يمكن لعملية التضخيم البارامترية لموجات نيوبات الليثيوم الرقيقة، القائمة على التنشيط والانعكاس الدوري، تحقيق تضخيم بصري منخفض الضوضاء وعالي الطاقة على الشريحة، مما يُلبي متطلبات تقنية فوتونات الموجات الميكروية المتكاملة للتضخيم البصري على الشريحة.

فيما يتعلق بكشف الضوء، يتميز نيوبات الليثيوم ذو الغشاء الرقيق بنفاذية جيدة للضوء في نطاق 1550 نانومتر. لا يمكن تحقيق وظيفة التحويل الكهروضوئي، لذلك بالنسبة لتطبيقات الفوتون بالموجات الدقيقة، من أجل تلبية احتياجات التحويل الكهروضوئي على الشريحة. يجب إدخال وحدات الكشف InGaAs أو Ge-Si على الرقائق المتكاملة الفوتونية القائمة على LNOI عن طريق اللحام الخلفي أو النمو الفوقي. من حيث الاقتران بالألياف الضوئية، نظرًا لأن الألياف الضوئية نفسها مصنوعة من مادة SiO2، فإن مجال وضع الدليل الموجي SiO2 يتمتع بأعلى درجة مطابقة مع مجال وضع الألياف الضوئية، والاقتران هو الأكثر ملاءمة. يبلغ قطر مجال وضع الدليل الموجي المقيد بشدة لنيوبات الليثيوم ذو الغشاء الرقيق حوالي 1 ميكرومتر، وهو مختلف تمامًا عن مجال وضع الألياف الضوئية، لذلك يجب إجراء تحويل بقعة الوضع المناسب لمطابقة مجال وضع الألياف الضوئية.

فيما يتعلق بالتكامل، يعتمد مدى امتلاك المواد المختلفة لإمكانية تكامل عالية بشكل رئيسي على نصف قطر انحناء الدليل الموجي (الذي يتأثر بحدود مجال وضع الدليل الموجي). يسمح الدليل الموجي المحدود بشدة بنصف قطر انحناء أصغر، مما يُسهّل تحقيق تكامل عالٍ. لذلك، تتمتع أدلة موجات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة بإمكانية تحقيق تكامل عالٍ. لذا، فإن ظهور نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة يُمكّنها من لعب دور "السيليكون" البصري. أما بالنسبة لتطبيقات فوتونات الموجات الدقيقة، فتبدو مزايا نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة أكثر وضوحًا.