مُعدِّل كهروضوئي ذو طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم عالي التكامل

خطية عاليةمُعدِّل كهروضوئيوتطبيق الفوتون الميكروويفي
مع تزايد متطلبات أنظمة الاتصالات، ولتحسين كفاءة نقل الإشارات، سيتم دمج الفوتونات والإلكترونات لتحقيق مزايا تكاملية، ومن هنا سيولد علم الفوتونات الميكروية. ويُعدّ المُعدِّل الكهروضوئي ضروريًا لتحويل الكهرباء إلى ضوء.أنظمة الفوتونيات الميكرويةوتحدد هذه الخطوة الرئيسية عادةً أداء النظام بأكمله. وبما أن تحويل إشارة الترددات الراديوية إلى المجال البصري هو عملية إشارة تناظرية، فإن النظام العاديالمعدلات الكهروضوئيةبسبب اللاخطية المتأصلة، يحدث تشويه كبير للإشارة أثناء عملية التحويل. ولتحقيق تعديل خطي تقريبي، تُثبّت نقطة تشغيل المُعدِّل عادةً عند نقطة الانحياز المتعامدة، لكن هذا لا يزال لا يفي بمتطلبات خطية وصلة الفوتون الميكروية. لذا، ثمة حاجة ماسة إلى مُعدِّلات كهروضوئية ذات خطية عالية.

عادةً ما يتم تحقيق تعديل معامل الانكسار عالي السرعة لمواد السيليكون عن طريق تأثير تشتت بلازما حاملات الشحنة الحرة (FCD). يُعد كل من تأثير FCD وتعديل وصلة PN غير خطيين، مما يجعل مُعدِّل السيليكون أقل خطية من مُعدِّل نيوبات الليثيوم. تُظهر مواد نيوبات الليثيوم خصائص ممتازة.التعديل الكهروضوئيتُعزى خصائص نيوبات الليثيوم إلى تأثير التجعيد. في الوقت نفسه، يتميز نيوبات الليثيوم بنطاق ترددي واسع، وخصائص تعديل جيدة، وفقد منخفض، وسهولة التكامل، والتوافق مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات. يُستخدم نيوبات الليثيوم الرقيق في صناعة مُعدِّلات كهروضوئية عالية الأداء، حيث يكاد يخلو من "اللوحة القصيرة" مقارنةً بالسيليكون، كما يحقق خطية عالية. وقد أصبح مُعدِّل نيوبات الليثيوم الرقيق (LNOI) الكهروضوئي على العازل اتجاهًا واعدًا للتطوير. ومع تطور تقنيات تحضير نيوبات الليثيوم الرقيقة وتقنيات حفر الموجهات الموجية، أصبحت كفاءة التحويل العالية والتكامل الأكبر لمُعدِّل نيوبات الليثيوم الرقيق مجالًا أكاديميًا وصناعيًا عالميًا.

خصائص طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم
في الولايات المتحدة، أجرت شركة DAP AR Planning التقييم التالي لمواد نيوبات الليثيوم: إذا كان مركز الثورة الإلكترونية يُسمى باسم مادة السيليكون التي جعلتها ممكنة، فمن المرجح أن يُسمى مهد ثورة الفوتونيات باسم نيوبات الليثيوم. وذلك لأن نيوبات الليثيوم يجمع بين التأثيرات الكهروضوئية، والصوتية الضوئية، والكهرضغطية، والحرارية، والانكسارية الضوئية في مادة واحدة، تمامًا مثل مواد السيليكون في مجال البصريات.

من حيث خصائص النقل الضوئي، يتميز مركب فوسفيد الإنديوم (InP) بأعلى فقد في النقل على الشريحة بسبب امتصاص الضوء في نطاق 1550 نانومتر الشائع الاستخدام. بينما يتمتع كل من ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) ونيتريد السيليكون بأفضل خصائص النقل، حيث يصل الفقد إلى حوالي 0.01 ديسيبل/سم. حاليًا، يصل فقد الموجه الضوئي المصنوع من نيوبات الليثيوم الرقيق إلى 0.03 ديسيبل/سم، ومن المتوقع أن ينخفض ​​هذا الفقد أكثر مع التطور المستمر للتقنية في المستقبل. لذلك، يُتوقع أن يُظهر مركب نيوبات الليثيوم الرقيق أداءً جيدًا في هياكل الإضاءة السلبية مثل مسار التمثيل الضوئي، والموصلات المتوازية، والحلقات الدقيقة.

فيما يتعلق بتوليد الضوء، يتميز فوسفيد الإنديوم (InP) بقدرته على إصدار الضوء مباشرةً؛ لذا، يتطلب تطبيق فوتونات الميكروويف دمج مصدر ضوئي قائم على InP في شريحة ضوئية متكاملة قائمة على نيوبات الليثيوم (LNOI) باستخدام تقنية اللحام الخلفي أو النمو الطبقي. أما فيما يخص تعديل الضوء، فقد سبق التأكيد على أن مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة تتميز بسهولة تحقيق نطاق تعديل أوسع، وجهد نصف موجة أقل، وفقدان إرسال أقل مقارنةً بـ InP والسيليكون. علاوة على ذلك، تُعد الخطية العالية للتعديل الكهروضوئي لمواد نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة أساسية لجميع تطبيقات فوتونات الميكروويف.

فيما يتعلق بتوجيه الإشارات الضوئية، فإن الاستجابة الكهروضوئية عالية السرعة لمادة نيوبات الليثيوم الرقيقة تجعل المفتاح الضوئي القائم على LNOI قادرًا على تبديل مسارات الإشارات الضوئية بسرعة عالية، مع استهلاك منخفض جدًا للطاقة. بالنسبة للتطبيقات النموذجية لتقنية الفوتونات الميكروية المتكاملة، تتميز شريحة تشكيل الحزمة الضوئية بقدرتها على التبديل عالي السرعة لتلبية متطلبات المسح السريع للحزمة، كما أن خصائص استهلاك الطاقة المنخفض للغاية تتناسب تمامًا مع المتطلبات الصارمة لأنظمة المصفوفات الطورية واسعة النطاق. على الرغم من أن المفتاح الضوئي القائم على InP قادر أيضًا على تحقيق تبديل مسار ضوئي عالي السرعة، إلا أنه يُدخل ضوضاء كبيرة، خاصةً عند توصيل المفاتيح الضوئية متعددة المستويات على التوالي، حيث يتدهور معامل الضوضاء بشكل كبير. أما مواد السيليكون وثاني أكسيد السيليكون ونيتريد السيليكون، فتعتمد فقط على التأثير الحراري الضوئي أو تأثير تشتت حاملات الشحنة لتبديل المسارات الضوئية، مما يؤدي إلى ارتفاع استهلاك الطاقة وبطء سرعة التبديل. وعندما يكون حجم مصفوفة المصفوفات الطورية كبيرًا، فإنها لا تستطيع تلبية متطلبات استهلاك الطاقة.

فيما يتعلق بالتضخيم البصري،مضخم بصري شبه موصل (SOAأصبحت تقنية التضخيم البصري القائمة على فوسفيد الإنديوم (InP) ناضجة للاستخدام التجاري، إلا أنها تعاني من عيوبٍ تتمثل في ارتفاع معامل الضوضاء وانخفاض قدرة الخرج عند التشبع، مما لا يُناسب تطبيقات الفوتونات الميكروية. في المقابل، تُتيح عملية التضخيم البارامتري لموجهات نيوبات الليثيوم الرقيقة، القائمة على التنشيط الدوري والانعكاس، تحقيق تضخيم بصري منخفض الضوضاء وعالي القدرة على الشريحة، وهو ما يُلبي متطلبات تقنية الفوتونات الميكروية المتكاملة للتضخيم البصري على الشريحة.

فيما يتعلق بكشف الضوء، يتميز غشاء نيوبات الليثيوم الرقيق بخصائص نقل جيدة للضوء في نطاق 1550 نانومتر. ونظرًا لعدم إمكانية تحقيق وظيفة التحويل الكهروضوئي، فإنه في تطبيقات الفوتونات الميكروية، ولتلبية متطلبات التحويل الكهروضوئي على الشريحة، يلزم إدخال وحدات كشف من نوع InGaAs أو Ge-Si على رقائق الفوتونات المتكاملة القائمة على نيوبات الليثيوم، وذلك عن طريق اللحام الخلفي أو النمو الطبقي. أما فيما يخص الاقتران مع الألياف الضوئية، ولأن الألياف الضوئية نفسها مصنوعة من مادة SiO2، فإن مجال نمط دليل الموجة SiO2 يتمتع بأعلى درجة تطابق مع مجال نمط الألياف الضوئية، مما يجعل الاقتران في غاية السهولة. يبلغ قطر مجال نمط دليل الموجة ذي التقييد الشديد لغشاء نيوبات الليثيوم الرقيق حوالي 1 ميكرومتر، وهو ما يختلف اختلافًا كبيرًا عن مجال نمط الألياف الضوئية، لذا يجب إجراء تحويل مناسب لبقعة النمط لمطابقة مجال نمط الألياف الضوئية.

فيما يتعلق بالتكامل، يعتمد مدى امتلاك المواد المختلفة لإمكانية تكامل عالية بشكل أساسي على نصف قطر انحناء الدليل الموجي (المتأثر بتقييد مجال نمط الدليل الموجي). يسمح الدليل الموجي ذو التقييد الشديد بنصف قطر انحناء أصغر، مما يُسهم بشكل أكبر في تحقيق تكامل عالٍ. لذلك، تتمتع أدلة الموجات المصنوعة من نيوبات الليثيوم الرقيقة بإمكانية تحقيق تكامل عالٍ. وبالتالي، فإن ظهور نيوبات الليثيوم الرقيقة يُتيح لمادة نيوبات الليثيوم أن تؤدي دور "السيليكون" البصري. وتبرز مزايا نيوبات الليثيوم الرقيقة بشكل أوضح في تطبيقات فوتونات الميكروويف.