مادة نيوبات الليثيوم ذات الطبقة الرقيقة ومعدل نيوبات الليثيوم ذو الطبقة الرقيقة

مزايا وأهمية أغشية نيوبات الليثيوم الرقيقة في تكنولوجيا الفوتونات الميكروية المتكاملة

تقنية الفوتونات الميكرويةتتميز تقنية الفوتونات الميكروية بنطاق ترددي واسع، وقدرة عالية على المعالجة المتوازية، وفقدان منخفض في الإرسال، مما يُمكّنها من تجاوز العقبات التقنية التي تواجه أنظمة الميكروويف التقليدية، وتحسين أداء المعدات الإلكترونية العسكرية، مثل الرادار، والحرب الإلكترونية، والاتصالات، والقياس والتحكم. مع ذلك، تعاني أنظمة الفوتونات الميكروية القائمة على أجهزة منفصلة من بعض المشاكل، كحجمها الكبير، ووزنها الثقيل، وضعف استقرارها، مما يُقيّد بشدة استخدامها في المنصات الفضائية والجوية. لذا، تُصبح تقنية الفوتونات الميكروية المتكاملة دعامة أساسية لتوسيع نطاق استخدامها في أنظمة المعلومات الإلكترونية العسكرية، والاستفادة القصوى من مزاياها.

في الوقت الراهن، أصبحت تقنيات التكامل الضوئي القائمة على السيليكون وتقنيات التكامل الضوئي القائمة على فوسفيد الإنديوم أكثر نضجًا بعد سنوات من التطوير في مجال الاتصالات الضوئية، وقد طُرحت العديد من المنتجات في السوق. ومع ذلك، تواجه تطبيقات الفوتونات الميكروية بعض المشكلات في هاتين التقنيتين: على سبيل المثال، يتعارض معامل الكهروضوئية غير الخطي لمعدِّل السيليكون ومعدِّل فوسفيد الإنديوم مع الخطية العالية والخصائص الديناميكية الكبيرة التي تسعى إليها تقنية الفوتونات الميكروية؛ فعلى سبيل المثال، يعاني مفتاح السيليكون الضوئي الذي يحقق تبديل المسار الضوئي، سواءً كان قائمًا على التأثير الحراري الضوئي أو التأثير الكهروإجهادي أو تأثير تشتت حقن حاملات الشحنة، من مشكلات بطء سرعة التبديل واستهلاك الطاقة والحرارة، مما لا يفي بمتطلبات المسح السريع للشعاع وتطبيقات الفوتونات الميكروية واسعة النطاق.

لطالما كان نيوبات الليثيوم الخيار الأول للسرعات العاليةالتعديل الكهروضوئيتُعدّ هذه المواد مفيدةً نظرًا لتأثيرها الكهروضوئي الخطي الممتاز. ومع ذلك، فإن نيوبات الليثيوم التقليديمُعدِّل كهروضوئييتكون الجهاز من مادة بلورية ضخمة من نيوبات الليثيوم، وحجمه كبير جدًا، مما لا يلبي متطلبات تقنية الفوتونات الميكروية المتكاملة. وقد أصبح دمج مواد نيوبات الليثيوم ذات المعامل الكهروضوئي الخطي في نظام تقنية الفوتونات الميكروية المتكاملة هدفًا للباحثين في هذا المجال. في عام 2018، نشر فريق بحثي من جامعة هارفارد في الولايات المتحدة الأمريكية لأول مرة في مجلة Nature تقريرًا عن تقنية التكامل الضوئي القائمة على طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم. ونظرًا لمزايا هذه التقنية، كالتكامل العالي، وعرض النطاق الترددي الكبير للتعديل الكهروضوئي، والخطية العالية للتأثير الكهروضوئي، فقد حظيت باهتمام أكاديمي وصناعي فوري في مجال التكامل الضوئي والفوتونيات الميكروية. من منظور تطبيقات الفوتونات الميكروية، تستعرض هذه الورقة البحثية تأثير وأهمية تقنية التكامل الضوئي القائمة على طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم على تطوير تقنية الفوتونات الميكروية.

مادة نيوبات الليثيوم ذات الطبقة الرقيقة والطبقة الرقيقةمُعدِّل نيوبات الليثيوم
في العامين الماضيين، ظهر نوع جديد من مادة نيوبات الليثيوم، حيث يتم فصل طبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم عن بلورة نيوبات الليثيوم الضخمة باستخدام تقنية "التقطيع الأيوني"، ثم تُلصق برقاقة السيليكون بواسطة طبقة عازلة من السيليكا لتشكيل مادة LNOI (نيوبات الليثيوم على عازل) [5]، والتي تُسمى في هذه الورقة "مادة نيوبات الليثيوم الرقيقة". ويمكن حفر موجهات موجية ذات حواف بارزة بارتفاع يزيد عن 100 نانومتر على مادة نيوبات الليثيوم الرقيقة باستخدام عملية حفر جاف مُحسّنة، ويصل فرق معامل الانكسار الفعال للموجهات المتكونة إلى أكثر من 0.8 (وهو أعلى بكثير من فرق معامل الانكسار في موجهات نيوبات الليثيوم التقليدية البالغ 0.02)، كما هو موضح في الشكل 1. ويُسهّل هذا التقييد الشديد للموجهات مطابقة المجال الضوئي مع مجال الموجات الميكروية عند تصميم المُعدِّل. وبالتالي، من المفيد تحقيق جهد نصف موجة أقل وعرض نطاق تعديل أكبر في طول أقصر.

يُساهم ظهور الموجه الموجية دون الميكرونية المصنوعة من نيوبات الليثيوم منخفضة الفقد في كسر عائق الجهد العالي الذي يُعيق عمل مُعدِّلات نيوبات الليثيوم الكهروضوئية التقليدية. إذ يُمكن تقليل المسافة بين الأقطاب الكهربائية إلى حوالي 5 ميكرومتر، مع زيادة كبيرة في التداخل بين المجال الكهربائي ومجال النمط البصري، وانخفاض قيمة vπ ·L من أكثر من 20 فولت·سم إلى أقل من 2.8 فولت·سم. وبالتالي، يُمكن تقليل طول الجهاز بشكل كبير مقارنةً بالمُعدِّل التقليدي عند نفس جهد نصف الموجة. في الوقت نفسه، وبعد تحسين معلمات عرض وسمك والمسافة بين أقطاب الموجة المتحركة، كما هو موضح في الشكل، يُمكن للمُعدِّل أن يتمتع بنطاق ترددي فائق الارتفاع يتجاوز 100 جيجاهرتز.

الشكل 1 (أ) توزيع الأنماط المحسوب و (ب) صورة المقطع العرضي لموجه LN

الشكل 2 (أ) بنية الدليل الموجي والأقطاب الكهربائية و (ب) اللوحة الأساسية لمعدِّل نيوبات الليثيوم

تتضمن المقارنة بين مُعدِّلات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة ومُعدِّلات نيوبات الليثيوم التجارية التقليدية، ومُعدِّلات السيليكون، ومُعدِّلات فوسفيد الإنديوم (InP)، وغيرها من مُعدِّلات الكهروضوئية عالية السرعة الموجودة، المعايير الرئيسية للمقارنة ما يلي:
(1) حاصل ضرب طول الموجة في الجهد (vπ ·L، V·cm)، لقياس كفاءة التعديل للمعدِّل، كلما كانت القيمة أصغر، زادت كفاءة التعديل؛
(2) عرض نطاق التعديل 3 ديسيبل (جيجاهرتز)، والذي يقيس استجابة المعدل للتعديل عالي التردد؛
(3) فقد الإدخال البصري (ديسيبل) في منطقة التضمين. يتضح من الجدول أن مُعدِّل نيوبات الليثيوم ذو الطبقة الرقيقة يتمتع بمزايا واضحة في عرض نطاق التضمين، وجهد نصف الموجة، وفقد الاستيفاء البصري، وما إلى ذلك.

يُعدّ السيليكون حجر الزاوية في الإلكترونيات الضوئية المتكاملة، وقد شهد تطورًا ملحوظًا، حيث نضجت عملية تصنيعه، ويُسهم تصغير حجمه في دمج الأجهزة النشطة/الخاملة على نطاق واسع، كما حظي مُعدِّله بدراسة معمقة وشاملة في مجال الاتصالات الضوئية. وتتمثل آلية التعديل الكهروضوئي للسيليكون بشكل أساسي في استنزاف حاملات الشحنة، وحقنها، وتراكمها. ومن بين هذه الآليات، يكون عرض نطاق المُعدِّل مثاليًا مع آلية استنزاف حاملات الشحنة الخطية، ولكن نظرًا لتداخل توزيع المجال الضوئي مع عدم انتظام منطقة الاستنزاف، فإن هذا التأثير يُؤدي إلى ظهور تشوهات غير خطية من الدرجة الثانية وتشوهات بينية من الدرجة الثالثة، بالإضافة إلى تأثير امتصاص حاملات الشحنة للضوء، مما يُؤدي إلى انخفاض سعة التعديل الضوئي وتشوه الإشارة.

يتميز مُعدِّل InP بتأثيرات كهروضوئية فائقة، ويمكن لبنية البئر الكمومي متعددة الطبقات تحقيق معدلات فائقة السرعة وجهد تشغيل منخفض يصل إلى 0.156 فولت/مم. مع ذلك، يتضمن تغير معامل الانكسار مع المجال الكهربائي حدودًا خطية وغير خطية، وتؤدي زيادة شدة المجال الكهربائي إلى بروز تأثير الرتبة الثانية. لذا، يحتاج كل من مُعدِّلات السيليكون وInP الكهروضوئية إلى تطبيق جهد انحياز لتشكيل وصلة pn أثناء التشغيل، مما يُسبب فقدًا في امتصاص الضوء. ومع ذلك، يتميز كلا المُعدِّلين بصغر حجمهما، حيث يبلغ حجم مُعدِّل InP التجاري ربع حجم مُعدِّل LN. يتميز بكفاءة تعديل عالية، مما يجعله مناسبًا لشبكات نقل البيانات الضوئية الرقمية عالية الكثافة وقصيرة المدى، مثل مراكز البيانات. أما التأثير الكهروضوئي لنيوبات الليثيوم، فلا يحتوي على آلية امتصاص للضوء ويتميز بفقد منخفض، مما يجعله مناسبًا للاتصال المتماسك لمسافات طويلة.الاتصالات الضوئيةتتميز بسعة كبيرة ومعدل عالٍ. في تطبيقات الفوتونات الميكروية، تكون معاملات الكهروضوئية للسيليكون والإنديوم فوسفيد غير خطية، مما يجعلها غير مناسبة لأنظمة الفوتونات الميكروية التي تتطلب خطية عالية وديناميكية واسعة. أما مادة نيوبات الليثيوم فهي مناسبة جدًا لتطبيقات الفوتونات الميكروية نظرًا لمعامل تعديلها الكهروضوئي الخطي تمامًا.