مُعدِّل كهروضوئي من نيوبات الليثيوم ذو غشاء رقيق متكامل عالي الجودة

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 إلى مُعدِّلات 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 هذه المادة بعرض نطاق ترددي كبير، وخصائص تعديل جيدة، وخسارة منخفضة، وسهولة التكامل والتوافق مع عمليات أشباه الموصلات. كما أن استخدام نيوبات الليثيوم الغشائي الرقيق لإنتاج مُعدّل كهروضوئي عالي الأداء، يكاد يخلو من "الصفائح القصيرة" مقارنةً بالسيليكون، بالإضافة إلى تحقيق خطية عالية. وقد أصبح مُعدّل نيوبات الليثيوم الغشائي الرقيق (LNOI) الكهروضوئي على العازل اتجاهًا تطويريًا واعدًا. ومع تطور تقنية تحضير مادة نيوبات الليثيوم الغشائي الرقيق وتقنية النقش الموجي، أصبحت كفاءة التحويل العالية والتكامل العالي لمُعدّل نيوبات الليثيوم الغشائي الرقيق مجالًا أكاديميًا وصناعيًا دوليًا.

خصائص نيوبات الليثيوم الرقيق
في الولايات المتحدة، أجرى تخطيط الواقع المعزز في برنامج DAP 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 كل من SiO2 ونتريد السيليكون بأفضل خصائص النقل، حيث يمكن أن يصل فقدانهما 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 التطور التكنولوجي المستمر في المستقبل. 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 نقل 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، تُمكّن الاستجابة الكهروضوئية عالية السرعة لمادة نيوبات الليثيوم الرقيقة المفتاح البصري القائم على LNOI من 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 بقدرة تحويل عالية السرعة لتلبية احتياجات المسح السريع للشعاع، وتتكيف خصائص استهلاك الطاقة المنخفض للغاية 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 يُسبب ضوضاء عالية، خاصةً عند استخدام 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 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 عيوب ارتفاع معامل الضوضاء وانخفاض طاقة خرج التشبع، مما لا يُناسب تطبيقات فوتونات الموجات الميكروية. يمكن لعملية التضخيم البارامترية لدليل نيوبات الليثيوم الرقيق، 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 الغشائي الرقيق بنفاذية جيدة للضوء في نطاق 1550 نانومتر. لا يمكن تحقيق وظيفة التحويل الكهروضوئي، لذلك بالنسبة لتطبيقات فوتونات الميكروويف، 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، لأن الألياف الضوئية نفسها مصنوعة من مادة SiO2، فإن مجال وضع دليل الموجة SiO2 يتمتع بأعلى درجة مطابقة مع مجال وضع الألياف الضوئية، والاقتران هو الأكثر ملاءمة. يبلغ قطر مجال وضع دليل الموجة المقيد بشدة لنيوبات الليثيوم الغشائي 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، فتتضح مزايا نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة بشكل أكبر.