Бичил долгионы фотоны нэгдсэн технологид нимгэн хальсан литийн ниобатын давуу болон ач холбогдол
Бичил долгионы фотоны технологиажлын зурвасын өргөн, хүчтэй зэрэгцээ боловсруулах чадвар, дамжуулах алдагдал бага зэрэг давуу талуудтай бөгөөд энэ нь уламжлалт богино долгионы системийн техникийн саад тотгорыг арилгах, радар, цахим дайн, харилцаа холбоо, хэмжилт, хяналт зэрэг цэргийн цахим мэдээллийн хэрэгслийн гүйцэтгэлийг сайжруулах боломжтой юм. Гэсэн хэдий ч дискрет төхөөрөмж дээр суурилсан богино долгионы фотоны систем нь их хэмжээний, хүнд жинтэй, тогтворгүй байдал зэрэг зарим асуудалтай тулгардаг бөгөөд энэ нь сансрын болон агаарын тавцан дахь богино долгионы фотоны технологийг хэрэглэхийг ноцтой хязгаарладаг. Тиймээс нэгдсэн богино долгионы фотоны технологи нь цэргийн цахим мэдээллийн системд богино долгионы фотоны хэрэглээг зогсоох, богино долгионы фотоны технологийн давуу талыг бүрэн ашиглахад чухал дэмжлэг болж байна.
Одоогийн байдлаар SI дээр суурилсан фотоны интеграцийн технологи болон INP дээр суурилсан фотоны интеграцийн технологи нь оптик холбооны салбарт олон жилийн турш хөгжсөний дараа улам бүр боловсорч гүйцсэн бөгөөд олон бүтээгдэхүүн зах зээлд гарсан. Гэсэн хэдий ч богино долгионы фотоны хэрэглээний хувьд эдгээр хоёр төрлийн фотоны интеграцийн технологид зарим асуудал тулгарч байна: жишээлбэл, Si модулятор ба InP модуляторын шугаман бус электро-оптик коэффициент нь богино долгионы фотоны технологийн өндөр шугаман чанар болон том динамик шинж чанаруудтай зөрчилддөг; Жишээлбэл, дулааны оптик эффект, пьезоэлектрик эффект эсвэл зөөгч тарилгын тархалтын эффект дээр суурилсан оптик замын шилжилтийг хэрэгжүүлдэг цахиурын оптик унтраалга нь удаан шилжих хурд, цахилгаан зарцуулалт, дулаан зарцуулалт зэрэг асуудлуудтай тулгардаг бөгөөд энэ нь хурдан цацраг сканнердах болон том массивын богино долгионы фотоны хэрэглээг хангаж чадахгүй.
Литий ниобате нь өндөр хурдны хувьд үргэлж эхний сонголт байсаар ирсэнэлектро-оптик модуляцимаш сайн шугаман электро-оптик нөлөөтэй тул материалууд. Гэсэн хэдий ч уламжлалт литийн ниобатадэлектро-оптик модуляторнь асар том литийн ниобатын талст материалаар хийгдсэн бөгөөд төхөөрөмжийн хэмжээ нь маш том тул бичил долгионы фотоны нэгдсэн технологийн хэрэгцээг хангаж чадахгүй. Шугаман электро-оптик коэффициент бүхий литийн ниобатын материалыг бичил долгионы фотоны нэгдсэн технологийн системд хэрхэн нэгтгэх нь холбогдох судлаачдын зорилго болсон. 2018 онд АНУ-ын Харвардын Их Сургуулийн судалгааны баг анх удаа Nature сэтгүүлд нимгэн хальсан литийн ниобатын дээр суурилсан фотоны интеграцийн технологийг мэдээлсэн бөгөөд энэ технологи нь өндөр интеграцчилал, том электро-оптик модуляцийн зурвасын өргөн, электро-оптик эффектийн өндөр шугаман чанар зэрэг давуу талуудтай тул нэвтрүүлсний дараа фотоны интеграци болон бичил долгионы фотоникацийн салбарт эрдэм шинжилгээний болон үйлдвэрлэлийн анхаарлыг шууд татсан. Бичил долгионы фотоны хэрэглээний үүднээс авч үзвэл энэхүү өгүүлэлд нимгэн хальсан литийн ниобатын дээр суурилсан фотоны интеграцийн технологийн бичил долгионы фотоны технологийн хөгжилд үзүүлэх нөлөө, ач холбогдлыг авч үзсэн болно.
Нимгэн хальсан литийн ниобатын материал ба нимгэн хальслитийн ниобат модулятор
Сүүлийн хоёр жилд литийн ниобатын шинэ төрлийн материал гарч ирсэн бөгөөд энэ нь литийн ниобатын хальсыг "ион зүсэх" аргаар литийн ниобатын том талстаас гуужуулж, цахиурын буфер давхаргаар Si вафлитай холбож LNOI (LiNbO3-On-Insulator) материалыг үүсгэдэг [5] бөгөөд үүнийг энэхүү өгүүлэлд нимгэн хальсан литийн ниобатын материал гэж нэрлэдэг. 100 нанометрээс дээш өндөртэй нурууны долгион хөтлөгчийг хуурай сийлбэрийн оновчтой процессоор нимгэн хальсан литийн ниобатын материал дээр сийлж болох бөгөөд үүссэн долгион хөтлөгчдийн үр дүнтэй хугарлын илтгэгчийн зөрүү нь Зураг 1-т үзүүлсэн шиг 0.8-аас дээш хүрч болно (уламжлалт литийн ниобатын долгион хөтлөгчдийн хугарлын илтгэгчийн зөрүү 0.02-оос хамаагүй өндөр). Хүчтэй хязгаарлагдмал долгион хөтлөгч нь модуляторыг зохион бүтээхдээ гэрлийн талбарыг богино долгионы талбартай тохируулахад хялбар болгодог. Тиймээс богино урттай үед бага хагас долгионы хүчдэл, илүү том модуляцийн зурвасын өргөнийг авах нь ашигтай юм.
Бага алдагдалтай литийн ниобатын дэд микрон долгион хөтлүүрийн харагдах байдал нь уламжлалт литийн ниобатын электро-оптик модуляторын өндөр хөтлөх хүчдэлийн саадыг тайлдаг. Электродын зайг ~ 5 μм хүртэл багасгаж, цахилгаан орон ба оптик горимын талбайн давхцал ихээхэн нэмэгдэж, vπ ·L нь 20 В·см-ээс 2.8 В·см-ээс бага болж буурдаг. Тиймээс ижил хагас долгионы хүчдэлийн дор төхөөрөмжийн уртыг уламжлалт модулятортой харьцуулахад ихээхэн багасгаж болно. Үүний зэрэгцээ, зурагт үзүүлсэн шиг аялах долгионы электродын өргөн, зузаан, интервалын параметрүүдийг оновчтой болгосны дараа модулятор нь 100 GHz-ээс дээш хэт өндөр модуляцийн зурвасын өргөнтэй байх чадвартай болно.
Зураг.1 (a) тооцоолсон горимын тархалт ба LN долгион хөтлүүрийн хөндлөн огтлолын (b) дүрс
Зураг.2 (a) Долгион хөтлүүр ба электродын бүтэц ба (b) LN модуляторын гол хавтан
Нимгэн хальсан литийн ниобатын модуляторуудыг уламжлалт литийн ниобатын арилжааны модуляторууд, цахиур дээр суурилсан модуляторууд болон индий фосфид (InP) модуляторууд болон бусад одоо байгаа өндөр хурдны электро-оптик модуляторуудтай харьцуулсан бөгөөд харьцуулалтын гол параметрүүдэд дараахь зүйлс орно.
(1) Хагас долгионы вольтын урттай үржвэр (vπ ·L, V·cm), модуляторын модуляцийн үр ашгийг хэмждэг бөгөөд утга нь бага байх тусам модуляцийн үр ашиг өндөр байна;
(2) Өндөр давтамжийн модуляцид модуляторын хариу үйлдлийг хэмждэг 3 дБ модуляцийн зурвасын өргөн (GHz);
(3) Модуляцийн бүс дэх оптик оруулгын алдагдал (дБ). Хүснэгтээс харахад нимгэн хальсан литийн ниобат модулятор нь модуляцийн зурвасын өргөн, хагас долгионы хүчдэл, оптик интерполяцийн алдагдал гэх мэт давуу талуудтай байдаг.
Цахиур нь интеграцчилагдсан оптоэлектроникийн тулгын чулуу бөгөөд одоогоор боловсруулагдсан бөгөөд энэ үйл явц нь боловсорсон, түүний миниатюрчлал нь идэвхтэй/идэвхгүй төхөөрөмжүүдийг өргөн хүрээнд нэгтгэхэд тохиромжтой бөгөөд түүний модуляторыг оптик холбооны салбарт өргөн, гүнзгий судалсан. Цахиурын электро-оптик модуляцийн механизм нь голчлон тээвэрлэгчийн хомсдол, тээвэрлэгчийн тарилга, тээвэрлэгчийн хуримтлал юм. Эдгээрийн дотор модуляторын зурвасын өргөн нь шугаман зэргийн тээвэрлэгчийн хомсдолын механизмтай оновчтой боловч оптик талбайн тархалт нь хомсдолын бүсийн жигд бус байдалтай давхцдаг тул энэ нөлөө нь шугаман бус хоёрдугаар эрэмбийн гажуудал болон гуравдугаар эрэмбийн интермодуляцийн гажуудлын нэр томьёог нэвтрүүлж, тээвэрлэгчийн гэрэлд шингээх нөлөөтэй хавсарч, оптик модуляцийн далайц болон дохионы гажуудлыг бууруулахад хүргэнэ.
InP модулятор нь гайхалтай электро-оптик нөлөөтэй бөгөөд олон давхаргат квант худгийн бүтэц нь 0.156V · мм хүртэл Vπ·L бүхий хэт өндөр хурдтай, бага жолоодлогын хүчдэлийн модуляторуудыг хэрэгжүүлэх боломжтой. Гэсэн хэдий ч цахилгаан оронтой хугарлын индексийн хэлбэлзэл нь шугаман болон шугаман бус нэр томьёог агуулдаг бөгөөд цахилгаан орны эрчимжилт нэмэгдэх нь хоёрдогч эрэмбийн нөлөөг тодотгож өгдөг. Тиймээс цахиур болон InP электро-оптик модуляторууд ажиллахдаа pn уулзвар үүсгэхийн тулд хэвийлтийг ашиглах шаардлагатай бөгөөд pn уулзвар нь гэрэлд шингээлтийн алдагдлыг авчирдаг. Гэсэн хэдий ч эдгээр хоёр модуляторын хэмжээ бага, арилжааны InP модуляторын хэмжээ нь LN модуляторын 1/4 юм. Өндөр модуляцийн үр ашиг, өгөгдлийн төв гэх мэт өндөр нягтралтай болон богино зайн дижитал оптик дамжуулах сүлжээнд тохиромжтой. Литий ниобатын электро-оптик нөлөө нь гэрэл шингээх механизмгүй бөгөөд алдагдал багатай тул хол зайн когерентэд тохиромжтой.оптик холбооөндөр багтаамжтай, өндөр хурдтай. Богино долгионы фотоны хэрэглээнд Si ба InP-ийн электро-оптик коэффициентууд нь шугаман бус байдаг нь өндөр шугаман чанар, том динамикийг эрэлхийлдэг богино долгионы фотоны системд тохиромжгүй. Литиум ниобатын материал нь бүрэн шугаман электро-оптик модуляцийн коэффициентийн ачаар богино долгионы фотоны хэрэглээнд маш тохиромжтой.
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 4-р сарын 22