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

مزايا وأهمية نيوبات الليثيوم الرقيق في تكنولوجيا الفوتون الميكروويفي المتكامل

تكنولوجيا الفوتون الميكروويفييتميز هذا النظام بنطاق ترددي واسع، وقدرة معالجة متوازية قوية، وخسارة إرسال منخفضة، مما يُمكّنه من تجاوز العقبات التقنية لأنظمة الموجات الدقيقة التقليدية، وتحسين أداء معدات المعلومات الإلكترونية العسكرية، مثل الرادار، والحرب الإلكترونية، والاتصالات، والقياس والتحكم. ومع ذلك، يواجه نظام فوتون الموجات الدقيقة، القائم على أجهزة منفصلة، ​​بعض المشاكل، مثل الحجم الكبير، والوزن الثقيل، وضعف الاستقرار، مما يُعيق تطبيق تقنية فوتون الموجات الدقيقة في المنصات الفضائية والجوية. لذلك، تُصبح تقنية فوتون الموجات الدقيقة المتكاملة دعامة مهمة لتطوير تطبيق فوتون الموجات الدقيقة في أنظمة المعلومات الإلكترونية العسكرية، والاستفادة الكاملة من مزاياها.

في الوقت الحاضر، أصبحت تقنية التكامل الفوتوني القائمة على SI وتقنية التكامل الفوتوني القائمة على INP أكثر نضجًا بعد سنوات من التطوير في مجال الاتصالات البصرية، وتم طرح العديد من المنتجات في السوق. ومع ذلك، بالنسبة لتطبيق فوتون الميكروويف، توجد بعض المشاكل في هذين النوعين من تقنيات تكامل الفوتون: على سبيل المثال، يتعارض معامل الكهروضوئي غير الخطي لمعدِّل السيليكون ومعدِّل InP مع الخطية العالية والخصائص الديناميكية الكبيرة التي تسعى إليها تقنية فوتون الميكروويف؛ على سبيل المثال، يواجه مفتاح السيليكون البصري الذي يحقق تبديل المسار البصري، سواء كان قائمًا على التأثير الحراري البصري أو التأثير الكهروضغطي أو تأثير تشتت حقن الناقل، مشاكل سرعة التبديل البطيئة واستهلاك الطاقة واستهلاك الحرارة، والتي لا يمكنها تلبية مسح الشعاع السريع وتطبيقات فوتون الميكروويف على نطاق واسع.

لقد كان نيوبات الليثيوم دائمًا هو الخيار الأول للسرعة العاليةالتعديل الكهروضوئيالمواد بسبب تأثيرها الكهروضوئي الخطي الممتاز. ومع ذلك، فإن نيوبات الليثيوم التقليديمعدِّل كهروضوئيمصنوع من مادة بلورية ضخمة من نيوبات الليثيوم، وحجم الجهاز كبير جدًا، مما لا يمكنه تلبية احتياجات تقنية فوتون الميكروويف المتكاملة. أصبحت كيفية دمج مواد نيوبات الليثيوم ذات المعامل الكهروضوئي الخطي في نظام تقنية فوتون الميكروويف المتكاملة هدفًا للباحثين ذوي الصلة. في عام 2018، نشر فريق بحثي من جامعة هارفارد في الولايات المتحدة لأول مرة تقنية التكامل الفوتوني القائمة على نيوبات الليثيوم الغشائي الرقيق في مجلة Nature، نظرًا لمزايا التكامل العالي وعرض نطاق التعديل الكهروضوئي الكبير والخطية العالية للتأثير الكهروضوئي، وبمجرد إطلاقها، أثارت على الفور الاهتمام الأكاديمي والصناعي في مجال التكامل الفوتوني وفوتونيات الميكروويف. من منظور تطبيق فوتون الميكروويف، تستعرض هذه الورقة تأثير وأهمية تقنية تكامل الفوتون القائمة على نيوبات الليثيوم الغشائي الرقيق في تطوير تقنية فوتون الميكروويف.

مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة والأغشية الرقيقةمُعدِّل نيوبات الليثيوم
في العامين الأخيرين، ظهر نوع جديد من مواد نيوبات الليثيوم، أي أن غشاء نيوبات الليثيوم يُقشر من بلورة نيوبات الليثيوم الضخمة بطريقة "تقطيع الأيونات" ويُربط برقاقة السيليكون بطبقة عازلة من السيليكا لتشكيل مادة LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5]، والتي تُسمى مادة نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة في هذه الورقة. يمكن نقش أدلة الموجة التلالية التي يزيد ارتفاعها عن 100 نانومتر على مواد نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة من خلال عملية النقش الجاف المُحسّنة، ويمكن أن يصل فرق معامل الانكسار الفعال للأدلة الموجية المُشكّلة إلى أكثر من 0.8 (أعلى بكثير من فرق معامل الانكسار لأدلة نيوبات الليثيوم التقليدية البالغ 0.02)، كما هو موضح في الشكل 1. يُسهّل الدليل الموجي المقيد بشدة مطابقة مجال الضوء مع مجال الميكروويف عند تصميم المُعدِّل. وبالتالي، فمن المفيد تحقيق نصف جهد موجة أقل ونطاق ترددي أكبر في طول أقصر.

يُساعد استخدام موجه الموجات دون الميكرون من نيوبات الليثيوم منخفض الفقد على تجاوز اختناق جهد التشغيل العالي للمُعدِّل الكهروضوئي التقليدي المصنوع من نيوبات الليثيوم. يمكن تقليل تباعد الأقطاب الكهربائية إلى حوالي 5 ميكرومتر، مما يزيد بشكل كبير من التداخل بين المجال الكهربائي وحقل الوضع البصري، وينخفض ​​vπ ·L من أكثر من 20 فولت/سم إلى أقل من 2.8 فولت/سم. وبالتالي، عند نفس جهد نصف الموجة، يمكن تقليل طول الجهاز بشكل كبير مقارنةً بالمُعدِّل التقليدي. وفي الوقت نفسه، بعد تحسين معلمات عرض وسمك وفاصل قطب الموجة المتنقلة، كما هو موضح في الشكل، يمكن للمُعدِّل تحقيق نطاق ترددي تعديل فائق الارتفاع يزيد عن 100 جيجاهرتز.

الشكل 1 (أ) توزيع الوضع المحسوب و (ب) صورة المقطع العرضي لموجة LN

الشكل 2 (أ) بنية الدليل الموجي والقطب الكهربي و (ب) اللوحة الأساسية لمُعدِّل LN

مقارنة بين منظمات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة مع منظمات نيوبات الليثيوم التجارية التقليدية والمنظمات القائمة على السيليكون ومعدلات فوسفيد الإنديوم (InP) والمنظمات الكهروضوئية عالية السرعة الأخرى الموجودة، تتضمن المعلمات الرئيسية للمقارنة ما يلي:
(1) حاصل نصف الموجة الفولتية الطولية (vπ·L، V·cm)، لقياس كفاءة التعديل للمُعدِّل، كلما كانت القيمة أصغر، زادت كفاءة التعديل؛
(2) عرض نطاق التعديل 3 ديسيبل (جيجاهرتز)، والذي يقيس استجابة المُعدِّل للتعديل عالي التردد؛
(3) فقدان الإدخال البصري (ديسيبل) في منطقة التعديل. يتضح من الجدول أن مُعدّل نيوبات الليثيوم ذو الغشاء الرقيق يتميز بمزايا واضحة في عرض نطاق التعديل، وجهد نصف الموجة، وفقدان الاستيفاء البصري، وغيرها.

يُعد السيليكون حجر الزاوية في الإلكترونيات الضوئية المتكاملة، وقد طُوّر حتى الآن، وعملية تطويره ناضجة، ويُسهم تصغيره في التكامل واسع النطاق للأجهزة النشطة/السلبية، كما دُرست مُعدّلاته على نطاق واسع وبعمق في مجال الاتصالات الضوئية. وتتمثل آلية التعديل الكهروضوئي للسيليكون بشكل رئيسي في استنزاف الناقلات، وحقن الناقلات، وتراكمها. ومن بين هذه الآليات، يكون عرض نطاق المُعدّل مثاليًا مع آلية استنزاف الناقلات الخطية، ولكن نظرًا لتداخل توزيع المجال البصري مع عدم تجانس منطقة الاستنزاف، سيؤدي هذا التأثير إلى تشوهات غير خطية من الدرجة الثانية وتشوهات بينية من الدرجة الثالثة، إلى جانب تأثير امتصاص الناقل على الضوء، مما يؤدي إلى تقليل سعة التعديل البصري وتشويه الإشارة.

يتميز مُعدّل InP بتأثيرات كهروضوئية متميزة، ويمكن لهيكل البئر الكمومي متعدد الطبقات تحقيق مُعدّلات ذات معدل عالٍ للغاية وجهد قيادة منخفض مع Vπ·L يصل إلى 0.156 فولت·مم. ومع ذلك، فإن تغير معامل الانكسار مع المجال الكهربائي يشمل حدودًا خطية وغير خطية، وستؤدي زيادة شدة المجال الكهربائي إلى ظهور تأثير من الدرجة الثانية. لذلك، تحتاج مُعدّلات السيليكون والكهروضوئية InP إلى تطبيق انحياز لتشكيل وصلة p-n عند عملها، وستؤدي وصلة p-n إلى فقدان امتصاص للضوء. ومع ذلك، فإن حجم مُعدّل هذين النوعين صغير، وحجم مُعدّل InP التجاري هو ربع حجم مُعدّل L-N. كفاءة تعديل عالية، ومناسبة لشبكات نقل الضوء الرقمية عالية الكثافة وقصيرة المدى مثل مراكز البيانات. لا يتميز التأثير الكهروضوئي لنيوبات الليثيوم بآلية امتصاص للضوء وخسارة منخفضة، وهو مناسب للمسافات الطويلة المتماسكة.الاتصالات البصريةبسعة كبيرة ومعدل عالٍ. في تطبيقات فوتونات الميكروويف، تكون المعاملات الكهروضوئية للسيليكون والفوسفور غير خطية، وهو ما لا يناسب نظام فوتونات الميكروويف الذي يتطلب خطية عالية وديناميكية عالية. تُعد مادة نيوبات الليثيوم مناسبة جدًا لتطبيقات فوتونات الميكروويف نظرًا لمعامل التعديل الكهروضوئي الخطي تمامًا.