مُعدِّل كهروضوئي متكامل ذو طبقة رقيقة من الليثيوم نيوبات

الخطية العاليةالمغير الكهروضوئيةوتطبيق الفوتون الميكروويف
مع المتطلبات المتزايدة لأنظمة الاتصالات، ومن أجل زيادة تحسين كفاءة نقل الإشارات، سوف يقوم الناس بدمج الفوتونات والإلكترونات لتحقيق مزايا تكميلية، وستولد الضوئيات بالموجات الدقيقة. هناك حاجة إلى المغير الكهروضوئي لتحويل الكهرباء إلى ضوءالأنظمة الضوئية الميكروويفوعادةً ما تحدد هذه الخطوة الأساسية أداء النظام بأكمله. نظرًا لأن تحويل إشارة التردد الراديوي إلى المجال البصري يعد عملية إشارة تناظرية وعاديةالمغيرون الكهروضوئيةنظرًا لعدم خطيتها المتأصلة، هناك تشويه خطير للإشارة في عملية التحويل. من أجل تحقيق تعديل خطي تقريبي، عادة ما يتم تثبيت نقطة تشغيل المغير عند نقطة التحيز المتعامد، لكنها لا تزال غير قادرة على تلبية متطلبات وصلة فوتون الميكروويف لخطية المغير. هناك حاجة ماسة إلى أدوات تعديل كهروضوئية ذات خطية عالية.

عادةً ما يتم تحقيق تعديل معامل الانكسار عالي السرعة لمواد السيليكون من خلال تأثير تشتت البلازما الحاملة الحرة (FCD). كل من تأثير FCD وتعديل الوصلة PN غير خطيين، مما يجعل مُعدِّل السيليكون أقل خطيًا من مُعدِّل نيوبات الليثيوم. تظهر مواد نيوبات الليثيوم بشكل ممتازالتعديل الكهروضوئيخصائصها بسبب تأثير Pucker. في الوقت نفسه، تتمتع مادة نيوبات الليثيوم بمزايا عرض النطاق الترددي الكبير، وخصائص التعديل الجيدة، والخسارة المنخفضة، وسهولة التكامل والتوافق مع عملية أشباه الموصلات، واستخدام نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة لصنع مُعدِّل كهربائي بصري عالي الأداء، مقارنةً بالسيليكون. لا يوجد تقريبًا "لوحة قصيرة"، ولكن أيضًا لتحقيق خطية عالية. أصبح المُعدِّل الكهروضوئي لطبقة الليثيوم نيوبات (LNOI) الرقيقة على العازل اتجاهًا تطويريًا واعدًا. مع تطور تكنولوجيا تحضير مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة وتقنية حفر الدليل الموجي، أصبحت كفاءة التحويل العالية والتكامل العالي لمُعدِّل الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة من الليثيوم نيوبات مجالًا للأوساط الأكاديمية والصناعة الدولية.

خصائص نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة
في الولايات المتحدة، أجرى تخطيط DAP AR التقييم التالي لمواد نيوبات الليثيوم: إذا تم تسمية مركز الثورة الإلكترونية على اسم مادة السيليكون التي تجعلها ممكنة، فمن المرجح أن يتم تسمية مكان ميلاد ثورة الضوئيات على اسم نيوبات الليثيوم. . وذلك لأن نيوبات الليثيوم يدمج التأثير الكهروضوئي، والتأثير الصوتي البصري، والتأثير الكهرضغطي، والتأثير الكهرضغطي، والتأثير الانكساري الضوئي في تأثير واحد، تمامًا مثل مواد السيليكون في مجال البصريات.

فيما يتعلق بخصائص النقل البصري، تتمتع مادة InP بأكبر خسارة في الإرسال على الرقاقة بسبب امتصاص الضوء في نطاق 1550 نانومتر شائع الاستخدام. يتمتع SiO2 ونيتريد السيليكون بأفضل خصائص النقل، ويمكن أن تصل الخسارة إلى مستوى ~ 0.01dB/cm؛ في الوقت الحاضر، يمكن أن يصل فقدان الدليل الموجي للدليل الموجي نيوبات الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة إلى مستوى 0.03 ديسيبل / سم، كما أن فقدان الدليل الموجي نيوبات الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة لديه القدرة على تقليله بشكل أكبر مع التحسين المستمر للمستوى التكنولوجي في مستقبل. ولذلك، فإن مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة ستظهر أداءً جيدًا لهياكل الإضاءة السلبية مثل مسار التمثيل الضوئي، والتحويلة، والحلقة الدقيقة.

فيما يتعلق بتوليد الضوء، فإن InP فقط لديه القدرة على انبعاث الضوء مباشرة؛ لذلك، لتطبيق فوتونات الموجات الصغرية، من الضروري تقديم مصدر الضوء المعتمد على InP على الشريحة الضوئية المدمجة القائمة على LNOI عن طريق اللحام الخلفي أو النمو الفوقي. فيما يتعلق بتعديل الضوء، فقد تم التأكيد أعلاه على أن مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة أسهل في تحقيق عرض نطاق تعديل أكبر وجهد نصف موجة أقل وفقدان إرسال أقل من InP وSi. علاوة على ذلك، فإن الخطية العالية للتشكيل الكهروضوئي لمواد نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة تعد ضرورية لجميع تطبيقات الفوتون بالموجات الدقيقة.

فيما يتعلق بالتوجيه البصري، فإن الاستجابة الكهروضوئية عالية السرعة لمادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة تجعل المفتاح البصري القائم على LNOI قادرًا على تبديل التوجيه البصري عالي السرعة، كما أن استهلاك الطاقة لمثل هذا التبديل عالي السرعة منخفض جدًا أيضًا. بالنسبة للتطبيق النموذجي لتقنية الفوتون الميكروويف المتكاملة، تتمتع شريحة تشكيل الشعاع التي يتم التحكم فيها بصريًا بالقدرة على التبديل عالي السرعة لتلبية احتياجات مسح الشعاع السريع، كما أن خصائص استهلاك الطاقة المنخفض للغاية تتكيف بشكل جيد مع المتطلبات الصارمة للمنشآت الكبيرة. - مقياس نظام الصفيف المرحلي. على الرغم من أن المفتاح البصري القائم على InP يمكنه أيضًا تحقيق تبديل المسار البصري عالي السرعة، إلا أنه سيقدم ضوضاء كبيرة، خاصة عندما يكون المفتاح البصري متعدد المستويات متتاليًا، فإن معامل الضوضاء سوف يتدهور بشكل خطير. يمكن لمواد السيليكون وSiO2 ونيتريد السيليكون فقط تبديل المسارات البصرية من خلال التأثير الحراري البصري أو تأثير تشتت الموجة الحاملة، والذي له مساوئ الاستهلاك العالي للطاقة وسرعة التبديل البطيئة. عندما يكون حجم المصفوفة المرحلية كبيرًا، لا يمكنها تلبية متطلبات استهلاك الطاقة.

من حيث التضخيم البصريمضخم بصري لأشباه الموصلات (الخدمية) استنادًا إلى InP، أصبح ناضجًا للاستخدام التجاري، ولكنه يحتوي على عيوب معامل الضوضاء العالي وقدرة خرج التشبع المنخفضة، وهو ما لا يفضي إلى تطبيق فوتونات الموجات الدقيقة. يمكن لعملية التضخيم البارامترية للدليل الموجي نيوبات الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة استنادًا إلى التنشيط والانعكاس الدوري أن تحقق ضوضاء منخفضة وتضخيمًا بصريًا عالي الطاقة على الرقاقة، والذي يمكن أن يلبي متطلبات تقنية فوتون الميكروويف المتكاملة للتضخيم البصري على الرقاقة.

من حيث الكشف عن الضوء، يتمتع نيوبات الليثيوم الرقيقة بخصائص نقل 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 الضوئية المدمجة القائمة على LNOI عن طريق التحميل الخلفي للحام أو النمو الفوقي. فيما يتعلق بالاقتران بالألياف الضوئية، نظرًا لأن الألياف الضوئية نفسها عبارة عن مادة SiO2، فإن مجال الوضع لدليل الموجة SiO2 لديه أعلى درجة مطابقة مع مجال الوضع للألياف الضوئية، والاقتران هو الأكثر ملاءمة. يبلغ قطر مجال الوضع للدليل الموجي المقيد بشدة لفيلم نيوبات الليثيوم الرقيق حوالي 1 ميكرومتر، وهو يختلف تمامًا عن مجال الوضع للألياف الضوئية، لذلك يجب إجراء تحويل موضعي للوضع المناسب لمطابقة مجال الوضع للألياف الضوئية.

من حيث التكامل، ما إذا كانت المواد المختلفة لديها إمكانات تكامل عالية تعتمد بشكل أساسي على نصف قطر الانحناء للدليل الموجي (يتأثر بحدود مجال وضع الدليل الموجي). يسمح الدليل الموجي المقيد بشدة بنصف قطر انحناء أصغر، وهو أكثر ملاءمة لتحقيق التكامل العالي. ولذلك، فإن الأدلة الموجية لنيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة لديها القدرة على تحقيق تكامل عالي. لذلك، فإن ظهور طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم يجعل من الممكن لمادة نيوبات الليثيوم أن تلعب دور "السيليكون" البصري. لتطبيق فوتونات الموجات الدقيقة، تكون مزايا نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة أكثر وضوحًا.