مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة ومُعدِّل نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة

مزايا وأهمية نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة في تكنولوجيا الفوتون الميكروويف المتكاملة

تكنولوجيا الفوتون الميكروويفيتمتع بمزايا عرض النطاق الترددي الكبير للعمل، وقدرة المعالجة المتوازية القوية وفقدان الإرسال المنخفض، والذي لديه القدرة على كسر عنق الزجاجة الفني لنظام الميكروويف التقليدي وتحسين أداء معدات المعلومات الإلكترونية العسكرية مثل الرادار والحرب الإلكترونية والاتصالات والقياس و يتحكم. ومع ذلك، فإن نظام فوتون الموجات الدقيقة المعتمد على أجهزة منفصلة يواجه بعض المشكلات مثل الحجم الكبير والوزن الثقيل وضعف الاستقرار، مما يقيد بشكل خطير تطبيق تكنولوجيا فوتون الموجات الدقيقة في المنصات الفضائية والمحمولة جواً. ولذلك، أصبحت تكنولوجيا الفوتون الميكروويف المتكاملة دعما هاما لكسر تطبيق الفوتون الميكروويف في نظام المعلومات الإلكترونية العسكرية وإفساح المجال كاملا لمزايا تكنولوجيا الفوتون الميكروويف.

في الوقت الحاضر، أصبحت تقنية التكامل الضوئي المستندة إلى SI وتقنية التكامل الضوئي المستندة إلى INP أكثر نضجًا بعد سنوات من التطوير في مجال الاتصالات البصرية، وتم طرح الكثير من المنتجات في السوق. ومع ذلك، بالنسبة لتطبيق فوتون الموجات الدقيقة، هناك بعض المشكلات في هذين النوعين من تقنيات تكامل الفوتون: على سبيل المثال، يتعارض المعامل الكهروضوئي غير الخطي لمغير Si ومغير InP مع الخطية العالية والخصائص الديناميكية الكبيرة التي يتبعها الميكروويف تكنولوجيا الفوتون؛ على سبيل المثال، فإن المفتاح البصري السيليكوني الذي يحقق تبديل المسار البصري، سواء كان يعتمد على التأثير الحراري البصري، أو التأثير الكهرضغطي، أو تأثير تشتت حقن الناقل، يعاني من مشاكل سرعة التبديل البطيئة، واستهلاك الطاقة واستهلاك الحرارة، والتي لا يمكن أن تلبي السرعة مسح الشعاع وتطبيقات الفوتون بالموجات الدقيقة على نطاق واسع.

لقد كان نيوبات الليثيوم دائمًا الخيار الأول للسرعة العاليةالتعديل الكهروضوئيالمواد بسبب تأثيرها الكهروضوئي الخطي الممتاز. ومع ذلك، نيوبات الليثيوم التقليديةالمغير الكهروضوئيمصنوع من مادة كريستال نيوبات الليثيوم الضخمة، وحجم الجهاز كبير جدًا، ولا يمكنه تلبية احتياجات تقنية فوتون الميكروويف المتكاملة. أصبحت كيفية دمج مواد نيوبات الليثيوم مع المعامل الكهروضوئي الخطي في نظام تكنولوجيا الفوتون الميكروويف المتكامل هدفًا للباحثين المعنيين. في عام 2018، أبلغ فريق بحث من جامعة هارفارد في الولايات المتحدة لأول مرة عن تقنية التكامل الضوئي القائمة على نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة في الطبيعة، لأن التكنولوجيا تتمتع بمزايا التكامل العالي، وعرض نطاق التعديل الكهروضوئي الكبير، والخطية العالية للكهرباء. - التأثير البصري، بمجرد إطلاقه، أثار على الفور الاهتمام الأكاديمي والصناعي في مجال التكامل الضوئي وفوتونيات الموجات الدقيقة. من منظور تطبيق فوتون الميكروويف، تستعرض هذه الورقة تأثير وأهمية تقنية تكامل الفوتون المعتمدة على نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة في تطوير تقنية فوتون الميكروويف.

مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة والأغشية الرقيقةمُعدِّل نيوبات الليثيوم
في العامين الأخيرين، ظهر نوع جديد من مادة نيوبات الليثيوم، أي أن طبقة نيوبات الليثيوم يتم تقشيرها من بلورة نيوبات الليثيوم الضخمة بطريقة "تقطيع الأيونات" وربطها برقاقة Si بطبقة عازلة من السيليكا ل شكل مادة LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5]، والتي تسمى مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة في هذه الورقة. يمكن حفر أدلة موجة ريدج التي يزيد ارتفاعها عن 100 نانومتر على مواد نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة من خلال عملية الحفر الجاف المحسنة، ويمكن أن يصل فرق معامل الانكسار الفعال للأدلة الموجية المتكونة إلى أكثر من 0.8 (أعلى بكثير من فرق معامل الانكسار التقليدي أدلة موجية نيوبات الليثيوم تبلغ 0.02)، كما هو مبين في الشكل 1. الدليل الموجي المقيد بشدة يجعل من السهل مطابقة مجال الضوء مع مجال الميكروويف عند التصميم المغير. وبالتالي، فمن المفيد تحقيق جهد نصف موجة أقل وعرض نطاق تعديل أكبر بطول أقصر.

إن ظهور الدليل الموجي دون الميكرون من نيوبات الليثيوم منخفض الفقد يكسر عنق الزجاجة لجهد القيادة العالي للمُعدِّل الكهروضوئي التقليدي من نيوبات الليثيوم. يمكن تقليل تباعد القطب إلى ~ 5 ميكرومتر، ويزداد التداخل بين المجال الكهربائي ومجال الوضع البصري بشكل كبير، وينخفض ​​vπ ·L من أكثر من 20 V·cm إلى أقل من 2.8 V·cm. لذلك، في ظل نفس الجهد نصف الموجي، يمكن تقليل طول الجهاز بشكل كبير مقارنة بالمغير التقليدي. في الوقت نفسه، بعد تحسين معلمات العرض والسمك والفاصل الزمني للقطب الموجي المتنقل، كما هو موضح في الشكل، يمكن أن يتمتع المغير بقدرة عرض نطاق تعديل عالي للغاية أكبر من 100 جيجا هرتز.

الشكل 1 (أ) توزيع الوضع المحسوب وصورة (ب) للمقطع العرضي لدليل موجة LN

الشكل 2 (أ) هيكل الدليل الموجي والقطب الكهربائي و(ب) اللوحة الأساسية لمُعدِّل LN

مقارنة معدّلات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة مع معدّلات نيوبات الليثيوم التجارية التقليدية والمعدّلات القائمة على السيليكون ومعدّلات فوسفيد الإنديوم (InP) وغيرها من المعدِّلات الكهربائية الضوئية عالية السرعة الحالية، تشمل المعالم الرئيسية للمقارنة ما يلي:
(1) منتج بطول نصف موجة (vπ ·L، V·cm)، قياس كفاءة التشكيل للمغير، كلما كانت القيمة أصغر، زادت كفاءة التشكيل؛
(2) عرض نطاق التشكيل بمقدار 3 ديسيبل (GHZ)، والذي يقيس استجابة المشكل للتشكيل عالي التردد؛
(3) خسارة الإدراج البصري (dB) في منطقة التشكيل. يمكن أن نرى من الجدول أن مُعدِّل نيوبات الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة له مزايا واضحة في عرض نطاق التعديل، والجهد نصف الموجي، وفقدان الاستيفاء البصري، وما إلى ذلك.

لقد تم تطوير السيليكون، باعتباره حجر الزاوية في الإلكترونيات الضوئية المتكاملة، حتى الآن، وقد أصبحت العملية ناضجة، كما أن تصغيره يفضي إلى تكامل واسع النطاق للأجهزة النشطة/الخاملة، وقد تمت دراسة مُعدِّله على نطاق واسع وعميق في مجال البصريات. تواصل. آلية التعديل الكهروضوئي للسيليكون هي بشكل أساسي استنزاف الموجة الحاملة وحقن الموجة الحاملة وتراكم الموجة الحاملة. من بينها، يكون عرض النطاق الترددي للمشكل هو الأمثل مع آلية استنفاد الموجة الحاملة ذات الدرجة الخطية، ولكن نظرًا لأن توزيع المجال البصري يتداخل مع عدم انتظام منطقة الاستنفاد، فإن هذا التأثير سيقدم تشويهًا غير خطي من الدرجة الثانية وتشويه التشكيل البيني من الدرجة الثالثة حيث، إلى جانب تأثير امتصاص الناقل على الضوء، مما سيؤدي إلى تقليل سعة التشكيل البصري وتشويه الإشارة.

يتمتع مُعدِّل InP بتأثيرات كهروضوئية متميزة، ويمكن لبنية البئر الكمومية متعددة الطبقات تحقيق معدلات عالية جدًا ومُعدِّلات جهد قيادة منخفضة مع Vπ·L حتى 0.156V · mm. ومع ذلك، فإن تباين معامل الانكسار مع المجال الكهربائي يتضمن مصطلحات خطية وغير خطية، وزيادة شدة المجال الكهربائي ستجعل تأثير الدرجة الثانية بارزًا. لذلك، تحتاج المعدِّلات الكهربائية الضوئية المصنوعة من السيليكون وInP إلى تطبيق انحياز لتشكيل الوصلة pn عندما تعمل، وسوف تؤدي الوصلة pn إلى ظهور فقدان الامتصاص للضوء. ومع ذلك، فإن حجم المغير لهذين الاثنين صغير، وحجم المغير InP التجاري هو 1/4 من مغير LN. كفاءة تعديل عالية، مناسبة لشبكات النقل الضوئية الرقمية عالية الكثافة والمسافات القصيرة مثل مراكز البيانات. لا يحتوي التأثير الكهروضوئي لنيوبات الليثيوم على آلية امتصاص للضوء وخسارة منخفضة، وهو مناسب للمسافات الطويلة المتماسكةالاتصالات البصريةمع سعة كبيرة ومعدل مرتفع. في تطبيق فوتون الميكروويف، تكون المعاملات الكهروضوئية لـ Si وInP غير خطية، وهي غير مناسبة لنظام فوتون الميكروويف الذي يسعى إلى تحقيق خطية عالية وديناميكيات كبيرة. تعتبر مادة نيوبات الليثيوم مناسبة جدًا لتطبيق الفوتون بالموجات الدقيقة بسبب معامل التعديل الكهروضوئي الخطي تمامًا.