التقدم البحثي في ​​مجال تعديل الإشارات الكهروضوئية باستخدام أغشية رقيقة من نيوبات الليثيوم

التقدم البحثي فيمُعدِّل كهروضوئي من نيوبات الليثيوم ذي الطبقة الرقيقة

المُعدِّل الكهروضوئي هو الجهاز الأساسي في أنظمة الاتصالات الضوئية وأنظمة الفوتونات الميكروية. فهو ينظم الضوء المنتشر في الفضاء الحر أو في الموجهات الضوئية عن طريق تغيير معامل انكسار المادة الناتج عن المجال الكهربائي المُطبَّق. ويُصنع المُعدِّل التقليدي من نيوبات الليثيوم.مُعدِّل كهروضوئييستخدم هذا الجهاز مادة نيوبات الليثيوم الصلبة كمادة كهروضوئية. تُطعّم بلورة نيوبات الليثيوم الأحادية موضعيًا لتشكيل دليل موجي عبر عملية انتشار التيتانيوم أو تبادل البروتونات. يكون فرق معامل الانكسار بين الطبقة الأساسية وطبقة التغليف ضئيلًا جدًا، مما يؤدي إلى ضعف قدرة الدليل الموجي على ربط المجال الضوئي. يبلغ الطول الإجمالي للمعدِّل الكهروضوئي المُغلَّف عادةً من 5 إلى 10 سم.

تُوفر تقنية نيوبات الليثيوم على العازل (LNOI) حلاً فعالاً لمشكلة الحجم الكبير لمعدِّل نيوبات الليثيوم الكهروضوئي. يصل فرق معامل الانكسار بين طبقة لب الموجه وطبقة التغليف إلى 0.7، مما يُحسِّن بشكل كبير قدرة ربط الأنماط الضوئية وتأثير التنظيم الكهروضوئي للموجه، وقد أصبحت هذه التقنية محور اهتمام بحثي في ​​مجال المعدِّلات الكهروضوئية.

بفضل التقدم في تكنولوجيا التصنيع الدقيق، شهد تطوير المُعدِّلات الكهروضوئية القائمة على منصة نيوبات الليثيوم تقدمًا سريعًا، مما يُظهر اتجاهًا نحو أحجام أصغر وتحسين مستمر في الأداء. وبحسب بنية الدليل الموجي المستخدمة، فإن المُعدِّلات الكهروضوئية النموذجية المصنوعة من نيوبات الليثيوم الرقيق هي مُعدِّلات كهروضوئية ذات دليل موجي محفور مباشرة، ومُعدِّلات هجينة مُحمَّلة.مُعدِّلات الموجات الدليليةوالمعدلات الكهروضوئية المدمجة في موجهات الموجات السيليكونية الهجينة.

في الوقت الحالي، يُسهم تحسين عملية الحفر الجاف بشكل كبير في تقليل فقد الإشارة في موجهات نيوبات الليثيوم الرقيقة، كما أن طريقة التحميل بالنتوءات تحل مشكلة صعوبة عملية الحفر العالية، وقد حققت مُعدِّلًا كهروضوئيًا من نيوبات الليثيوم بجهد أقل من 1 فولت لنصف الموجة، ويتوافق دمجه مع تقنية SOI الناضجة مع توجه التكامل الهجين للفوتونات والإلكترونات. تتميز تقنية نيوبات الليثيوم الرقيقة بمزايا في تحقيق مُعدِّل كهروضوئي متكامل على شريحة واحدة، يتميز بفقد منخفض وحجم صغير وعرض نطاق ترددي كبير. نظريًا، يُتوقع أن يكون مُعدِّل الدفع والسحب من نيوبات الليثيوم الرقيق بسمك 3 مم...مُعدِّل M⁃Zيمكن أن يصل عرض النطاق الكهروضوئي بمقدار 3 ديسيبل إلى 400 جيجاهرتز، وقد ذُكر أن عرض نطاق مُعدِّل نيوبات الليثيوم ذي الطبقة الرقيقة المُحضَّر تجريبيًا يزيد قليلًا عن 100 جيجاهرتز، وهو ما يزال بعيدًا عن الحد النظري الأعلى. إن التحسين الناتج عن تحسين المعايير الهيكلية الأساسية محدود. في المستقبل، ومن منظور استكشاف آليات وهياكل جديدة، مثل تصميم قطب الموجة المستوية القياسي كقطب ميكروويف مُجزَّأ، يُمكن تحسين أداء المُعدِّل بشكل أكبر.

بالإضافة إلى ذلك، يُمثل تحقيق تغليف رقائق التعديل المتكاملة والتكامل غير المتجانس على الرقاقة مع الليزر والكواشف والأجهزة الأخرى فرصةً وتحديًا في آنٍ واحد لتطوير مُعدِّلات نيوبات الليثيوم الرقيقة مستقبلًا. وستلعب مُعدِّلات نيوبات الليثيوم الكهروضوئية الرقيقة دورًا أكثر أهمية في مجال الفوتونات الميكروية والاتصالات الضوئية وغيرها من المجالات.