තුනී පටල ලිතියම් නියෝබේට් ද්‍රව්‍ය සහ තුනී පටල ලිතියම් නයෝබේට් මොඩියුලේටරය

ඒකාබද්ධ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්ෂණයේ තුනී පටල ලිතියම් නියෝබේට් වල වාසි සහ වැදගත්කම

මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්ෂණයසාම්ප්‍රදායික ක්ෂුද්‍ර තරංග පද්ධතියේ තාක්ෂණික බාධක බිඳ දැමීමට සහ රේඩාර්, ඉලෙක්ට්‍රොනික යුද්ධ, සන්නිවේදනය සහ මිනුම් වැනි යුධ විද්‍යුත් තොරතුරු උපකරණවල ක්‍රියාකාරිත්වය වැඩි දියුණු කිරීමට හැකියාව ඇති විශාල වැඩ කලාප පළල, ශක්තිමත් සමාන්තර සැකසුම් හැකියාව සහ අඩු සම්ප්‍රේෂණ අලාභය වැනි වාසි ඇත. පාලනය.කෙසේ වෙතත්, විවික්ත උපාංග මත පදනම් වූ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන පද්ධතියට විශාල පරිමාවක්, අධික බරක් සහ දුර්වල ස්ථායීතාවයක් වැනි ගැටළු ඇති අතර, එමඟින් අභ්‍යවකාශගත සහ ගුවන් වේදිකා තුළ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්ෂණය යෙදීම බරපතල ලෙස සීමා කරයි.එබැවින්, මිලිටරි ඉලෙක්ට්‍රොනික තොරතුරු පද්ධතියේ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝනයේ යෙදීම බිඳ දැමීමට සහ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්‍ෂණයේ වාසි සඳහා පූර්ණ ක්‍රීඩාවක් ලබා දීමට ඒකාබද්ධ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්‍ෂණය වැදගත් ආධාරකයක් බවට පත්වේ.

වර්තමානයේ, දෘශ්‍ය සන්නිවේදන ක්ෂේත්‍රයේ වසර ගණනාවක සංවර්ධනයෙන් පසු SI-පාදක ෆෝටෝනික් ඒකාබද්ධතා තාක්ෂණය සහ INP-පාදක ෆෝටෝනික් ඒකාබද්ධතා තාක්ෂණය වැඩි වැඩියෙන් පරිණත වී ඇති අතර නිෂ්පාදන රාශියක් වෙළඳපොළට දමා ඇත.කෙසේ වෙතත්, මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝනය යෙදීම සඳහා, මෙම වර්ග දෙකෙහි ෆෝටෝන ඒකාබද්ධ කිරීමේ තාක්ෂණයන්හි යම් යම් ගැටලු තිබේ: උදාහරණයක් ලෙස, Si මොඩියුලේටරයේ සහ InP මොඩියුලේටරයේ රේඛීය නොවන විද්‍යුත් දෘශ්‍ය සංගුණකය මයික්‍රෝවේව් විසින් අනුගමනය කරනු ලබන ඉහළ රේඛීයත්වයට සහ විශාල ගතික ලක්ෂණවලට පටහැනි වේ. ෆෝටෝන තාක්ෂණය;උදාහරණයක් ලෙස, තාප-ප්‍රකාශ ආචරණය, piezoelectric ආචරණය, හෝ වාහක එන්නත් විසුරුමේ බලපෑම මත පදනම් වූව ද ප්‍රකාශ මාර්ග මාරු කිරීම අවබෝධ කර ගන්නා සිලිකන් ඔප්ටිකල් ස්විචය, වේගයට සපුරාලිය නොහැකි මන්දගාමී මාරු වීමේ වේගය, බල පරිභෝජනය සහ තාප පරිභෝජනය වැනි ගැටළු ඇත. කදම්භ පරිලෝකනය සහ විශාල අරා පරිමාණ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන යෙදුම්.

Lithium niobate සෑම විටම අධි වේගය සඳහා පළමු තේරීම වේවිද්යුත් දෘෂ්ටි මොඩියුලේෂන්එහි විශිෂ්ට රේඛීය විද්‍යුත් දෘෂ්ටි ආචරණය නිසා ද්‍රව්‍ය.කෙසේ වෙතත්, සාම්ප්රදායික ලිතියම් නයෝබේට්විද්යුත් දෘෂ්ය මොඩියුලේටරයදැවැන්ත ලිතියම් නයෝබේට් ස්ඵටික ද්‍රව්‍ය වලින් සෑදී ඇති අතර, උපාංග ප්‍රමාණය ඉතා විශාල වන අතර, ඒකාබද්ධ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්ෂණයේ අවශ්‍යතා සපුරාලිය නොහැක.ලිතියම් නියෝබේට් ද්‍රව්‍ය රේඛීය විද්‍යුත් දෘශ්‍ය සංගුණකය සමඟ ඒකාබද්ධ මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්‍ෂණ පද්ධතියට ඒකාබද්ධ කරන්නේ කෙසේද යන්න අදාළ පර්යේෂකයන්ගේ ඉලක්කය වී ඇත.2018 දී, එක්සත් ජනපදයේ හාවඩ් විශ්ව විද්‍යාලයේ පර්යේෂණ කණ්ඩායමක් ප්‍රථම වරට ස්වභාවධර්මයේ තුනී පටල ලිතියම් නයෝබේට් මත පදනම් වූ ෆෝටෝනික් ඒකාබද්ධතා තාක්ෂණය වාර්තා කළේ, තාක්ෂණයට ඉහළ අනුකලනය, විශාල විද්‍යුත් දෘශ්‍ය මොඩියුලේෂන් කලාප පළල සහ ඉහළ රේඛීය විද්‍යුත් ප්‍රතිලාභ ඇති බැවිනි. -ප්‍රකාශ ආචරණය, දියත් කළ පසු, එය වහාම ෆොටෝනික් අනුකලනය සහ ක්ෂුද්‍ර තරංග ෆෝටෝනික්ස් ක්ෂේත්‍රයේ ශාස්ත්‍රීය හා කාර්මික අවධානයට හේතු විය.මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන යෙදුමේ දෘෂ්ටිකෝණයෙන්, මෙම ලිපිය මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන තාක්‍ෂණයේ දියුණුව මත තුනී පටල ලිතියම් නියෝබේට් මත පදනම් වූ ෆෝටෝන ඒකාබද්ධතා තාක්‍ෂණයේ බලපෑම සහ වැදගත්කම සමාලෝචනය කරයි.

තුනී පටල ලිතියම් නියෝබේට් ද්රව්ය සහ තුනී පටලlithium niobate මොඩියුලේටරය
මෑත වසර දෙකක දී, නව ලිතියම් නයෝබේට් ද්‍රව්‍ය වර්ගයක් මතු වී ඇත, එනම් ලිතියම් නියෝබේට් පටලය දැවැන්ත ලිතියම් නයෝබේට් ස්ඵටිකයෙන් “අයන කැපීම” ක්‍රමය මගින් පිටකර සිලිකා බෆර තට්ටුවක් සමඟ Si වේෆරයට බැඳී ඇත. මෙම පත්‍රිකාවේ තුනී පටල ලිතියම් නයෝබේට් ද්‍රව්‍ය ලෙස හඳුන්වන LNOI (LiNbO3-On-Insulator) ද්‍රව්‍ය [5] ආකෘතිය.නැනෝමීටර 100 ට වැඩි උසකින් යුත් රිජ් තරංග මාර්ගෝපදේශ තුනී පටල ලිතියම් නියෝබේට් ද්‍රව්‍ය මත ප්‍රශස්ත වියළි කැටයම් ක්‍රියාවලියක් මගින් කැටයම් කළ හැකි අතර සාදනු ලබන තරංග මාර්ගෝපදේශවල ඵලදායි වර්තන දර්ශක වෙනස 0.8 ට වඩා වැඩි විය හැකිය (සාම්ප්‍රදායික වර්තන දර්ශක වෙනසට වඩා බෙහෙවින් වැඩි ය. 0.02 හි lithium niobate waveguides), රූපය 1 හි පෙන්වා ඇති පරිදි. දැඩි ලෙස සීමා කරන ලද තරංග මාර්ගෝපදේශය මොඩියුලේටරය සැලසුම් කිරීමේදී ආලෝක ක්ෂේත්‍රය මයික්‍රෝවේව් ක්ෂේත්‍රය සමඟ ගැලපීම පහසු කරයි.මේ අනුව, අඩු අර්ධ තරංග වෝල්ටීයතාවයක් සහ කෙටි දිගකින් විශාල මොඩියුලේෂන් කලාප පළලක් ලබා ගැනීම ප්රයෝජනවත් වේ.

අඩු පාඩු lithium niobate submicron waveguide පෙනුම සම්ප්‍රදායික lithium niobate ඉලෙක්ට්‍රෝ ඔප්ටික් මොඩියුලේටරයේ ඉහළ රියදුරු වෝල්ටීයතාවයේ බාධකය බිඳ දමයි.ඉලෙක්ට්‍රෝඩ පරතරය ~ 5 μm දක්වා අඩු කළ හැකි අතර, විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය සහ දෘශ්‍ය මාදිලි ක්ෂේත්‍රය අතර අතිච්ඡාදනය විශාල ලෙස වැඩි වන අතර vπ ·L 20 V·cm ට වඩා වැඩි සිට 2.8 V·cm දක්වා අඩු වේ.එබැවින්, එකම අර්ධ තරංග වෝල්ටීයතාවයක් යටතේ, සාම්ප්රදායික මොඩියුලේටරය සමඟ සසඳන විට උපාංගයේ දිග විශාල ලෙස අඩු කළ හැකිය.ඒ අතරම, රූපයේ දැක්වෙන පරිදි, ගමන් කරන තරංග ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ පළල, ඝණකම සහ අන්තරයේ පරාමිතීන් ප්‍රශස්ත කිරීමෙන් පසු, මොඩියුලේටරයට 100 GHz ට වඩා වැඩි අධි-ඉහළ මොඩියුලේෂන් කලාප පළලක හැකියාව තිබිය හැකිය.

Fig.1 (a) ගණනය කරන ලද මාදිලියේ ව්‍යාප්තිය සහ LN තරංග මාර්ගෝපදේශයේ හරස්කඩේ (b) රූපය

Fig.2 (a) තරංග මාර්ගෝපදේශය සහ ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ව්‍යුහය සහ (b) LN මොඩියුලේටරයේ කෝප්ලේට්

තුනී පටල ලිතියම් නියෝබේට් මොඩියුලේටර් සාම්ප්‍රදායික ලිතියම් නියෝබේට් වාණිජ මොඩියුලේටර්, සිලිකන් පාදක මොඩියුලේටර් සහ ඉන්ඩියම් ෆොස්ෆයිඩ් (ඉන්පී) මොඩියුලේටර් සහ දැනට පවතින අනෙකුත් අධිවේගී විද්‍යුත් ප්‍රකාශ මොඩියුලේටර් සමඟ සංසන්දනය කිරීම, සැසඳීමේ ප්‍රධාන පරාමිතීන් වන්නේ:
(1) අර්ධ තරංග වෝල්ට් දිග නිෂ්පාදනය (vπ ·L, V·cm), මොඩියුලේටරයේ මොඩියුලේෂන් කාර්යක්ෂමතාවය මැනීම, අගය කුඩා වන තරමට, මොඩියුලේෂන් කාර්යක්ෂමතාවය වැඩි වේ;
(2) 3 dB මොඩියුලේෂන් කලාප පළල (GHz), අධි-සංඛ්‍යාත මොඩියුලේටරයට මොඩියුලේටරයේ ප්‍රතිචාරය මනින;
(3) මොඩියුලේෂන් කලාපයේ ඔප්ටිකල් ඇතුළත් කිරීමේ පාඩුව (dB).තුනී පටල ලිතියම් නයෝබේට් මොඩියුලේටරය මොඩියුලේෂන් කලාප පළල, අර්ධ තරංග වෝල්ටීයතාව, ඔප්ටිකල් ඉන්ටර්පෝලේෂන් අලාභය සහ යනාදියෙහි පැහැදිලි වාසි ඇති බව වගුවෙන් දැකිය හැකිය.

සිලිකන්, ඒකාබද්ධ දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාවේ මූලික ගල ලෙස, මෙතෙක් සංවර්ධනය කර ඇත, ක්‍රියාවලිය පරිණත වේ, එහි කුඩාකරණය සක්‍රීය/නිෂ්ක්‍රීය උපාංගවල මහා පරිමාණ ඒකාබද්ධතාවයට හිතකර වේ, සහ එහි මොඩියුලේටරය දෘශ්‍ය ක්ෂේත්‍රය තුළ පුළුල්ව හා ගැඹුරින් අධ්‍යයනය කර ඇත. සන්නිවේදන.සිලිකන් වල විද්‍යුත් දෘශ්‍ය මොඩියුලේෂන් යාන්ත්‍රණය ප්‍රධාන වශයෙන් වාහක ක්ෂය වීම, වාහක එන්නත් කිරීම සහ වාහක සමුච්චය වේ.ඒවා අතර, රේඛීය අංශක වාහක ක්ෂය වීමේ යාන්ත්‍රණය සමඟ මොඩියුලේටරයේ කලාප පළල ප්‍රශස්ත වේ, නමුත් දෘශ්‍ය ක්ෂේත්‍ර ව්‍යාප්තිය ක්ෂය වීමේ කලාපයේ ඒකාකාරී නොවන බව සමඟ අතිච්ඡාදනය වන බැවින්, මෙම බලපෑම රේඛීය නොවන දෙවන පෙළ විකෘති කිරීම සහ තුන්වන අනුපිළිවෙල අතරමැදි විකෘති කිරීම හඳුන්වා දෙනු ඇත. නියමයන්, ආලෝකය මත වාහකයාගේ අවශෝෂණ බලපෑම සමඟ සම්බන්ධ වන අතර, එය දෘශ්‍ය මොඩියුලේෂන් විස්තාරය අඩු කිරීමට සහ සංඥා විකෘති කිරීමට හේතු වේ.

InP මොඩියුලේටරයට කැපී පෙනෙන විද්‍යුත් දෘශ්‍ය බලපෑම් ඇති අතර බහු-ස්ථර ක්වොන්ටම් ළිං ව්‍යුහයට Vπ·L සමඟ 0.156V · mm දක්වා අධි-ඉහළ වේගයක් සහ අඩු රියදුරු වෝල්ටීයතා මොඩියුලේටර අවබෝධ කර ගත හැකිය.කෙසේ වෙතත්, විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍රය සමඟ වර්තන දර්ශකයේ විචලනයට රේඛීය සහ රේඛීය නොවන පද ඇතුළත් වන අතර විද්‍යුත් ක්ෂේත්‍ර තීව්‍රතාවයේ වැඩි වීම දෙවන අනුපිළිවෙලෙහි බලපෑම කැපී පෙනේ.එබැවින්, සිලිකන් සහ InP විද්‍යුත් දෘෂ්‍ය මොඩියුලේටර ක්‍රියා කරන විට pn හන්දිය සෑදීමට පක්ෂග්‍රාහීව යෙදිය යුතු අතර pn හන්දිය අවශෝෂණ පාඩුව ආලෝකයට ගෙන එනු ඇත.කෙසේ වෙතත්, මෙම දෙකෙහි මොඩියුලේටර් ප්‍රමාණය කුඩා වේ, වාණිජ InP මොඩියුලේටරයේ ප්‍රමාණය LN මොඩියුලේටරයෙන් 1/4 කි.ඉහළ මොඩියුලේෂන් කාර්යක්ෂමතාව, ඉහළ ඝනත්වය සහ දත්ත මධ්‍යස්ථාන වැනි කෙටි දුර ඩිජිටල් ඔප්ටිකල් සම්ප්‍රේෂණ ජාල සඳහා සුදුසු වේ.ලිතියම් නියෝබේට් වල විද්‍යුත් දෘෂ්‍ය ආචරණයට ආලෝකය අවශෝෂණ යාන්ත්‍රණයක් නොමැති අතර අඩු පාඩුවක් නොමැත, එය දිගු දුර අනුබද්ධ සඳහා සුදුසු වේ.දෘශ්ය සන්නිවේදනයවිශාල ධාරිතාවක් සහ ඉහළ අනුපාතයක් සහිතව.මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන යෙදුමේදී, Si සහ InP හි විද්‍යුත් දෘෂ්‍ය සංගුණක රේඛීය නොවන අතර, එය ඉහළ රේඛීයත්වය සහ විශාල ගතිකත්වයන් අනුගමනය කරන මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන පද්ධතියට සුදුසු නොවේ.ලිතියම් නයෝබේට් ද්‍රව්‍යය මයික්‍රෝවේව් ෆෝටෝන යෙදීම සඳහා ඉතා යෝග්‍ය වන්නේ එහි සම්පූර්ණ රේඛීය විද්‍යුත් දෘෂ්ටි මොඩියුලේෂන් සංගුණකය නිසාය.