Àwọn àǹfààní àti pàtàkì ti lithium niobate tinrin film nínú ìmọ̀ ẹ̀rọ microwave photon tí a ṣepọ
Ìmọ̀ ẹ̀rọ fọ́tòn máíkrówéfùÓ ní àwọn àǹfààní bí agbára ìṣiṣẹ́ ńlá, agbára ìṣiṣẹ́ tó lágbára àti pípadánù ìtasúnmọ́ tó kéré, èyí tó lè fọ́ ìdènà ìmọ̀ ẹ̀rọ ti ètò máíkrówéfù àtijọ́ àti láti mú iṣẹ́ àwọn ẹ̀rọ ìwífún oníná bíi rédàrà, ogun ẹ̀rọ itanna, ìbánisọ̀rọ̀ àti wíwọ̀n àti ìṣàkóso sunwọ̀n síi. Síbẹ̀síbẹ̀, ètò máíkrówéfù photon tí a gbé ka orí àwọn ẹ̀rọ aláìlẹ́gbẹ́ ní àwọn ìṣòro bíi ìwọ̀n ńlá, ìwọ̀n tó wúwo àti ìdúróṣinṣin tí kò dára, èyí tó ń dín lílo ìmọ̀ ẹ̀rọ máíkrówéfù photon kù nínú àwọn ìpele afẹ́fẹ́ àti àwọn ìpele afẹ́fẹ́. Nítorí náà, ìmọ̀ ẹ̀rọ máíkrówéfù photon tí a ṣepọ ti ń di àtìlẹ́yìn pàtàkì láti fọ́ lílo máíkrówéfù photon nínú ètò ìwífún oníná ológun àti láti fún àǹfààní ìmọ̀ ẹ̀rọ máíkrówéfù photon ní àǹfààní ìmọ̀ ẹ̀rọ máíkrówéfù photon ní àǹfààní.
Lọ́wọ́lọ́wọ́, ìmọ̀ ẹ̀rọ ìbáṣepọ̀ photonic tí ó dá lórí SI àti ìmọ̀ ẹ̀rọ ìbáṣepọ̀ photonic tí ó dá lórí INP ti di àgbàyanu síi lẹ́yìn ọ̀pọ̀ ọdún tí a ti ń ṣe àgbékalẹ̀ rẹ̀ nínú iṣẹ́ ìbánisọ̀rọ̀ optical, ọ̀pọ̀lọpọ̀ ọjà sì ti wà ní ọjà. Síbẹ̀síbẹ̀, fún lílo microwave photon, àwọn ìṣòro kan wà nínú irú àwọn ìmọ̀ ẹ̀rọ ìbáṣepọ̀ photon méjì wọ̀nyí: fún àpẹẹrẹ, nonlinear electro-optical coefficient ti Si modulator àti InP modulator lòdì sí àwọn ànímọ́ gíga àti agbára ńlá tí ìmọ̀ ẹ̀rọ microwave photon ń lépa; Fún àpẹẹrẹ, silicon optical switch tí ó ń ṣe àtúnṣe ipa ọ̀nà optical switching, yálà ó dá lórí ipa thermal-optical, ipa piezoelectric, tàbí ipa ìtúpalẹ̀ injection carrier, ní àwọn ìṣòro ti iyára yíyípadà lọ́ra, agbára lílo àti lílo ooru, èyí tí kò lè pàdé ìwòye béà kíákíá àti àwọn ohun èlò microwave photon ńlá.
Lithium niobate ti jẹ yiyan akọkọ nigbagbogbo fun iyara gigaiṣatunṣe elekitiro-opitikiÀwọn ohun èlò nítorí ipa electro-optic tó dára jùlọ tó wà ní ìlà. Síbẹ̀síbẹ̀, lithium niobate ìbílẹ̀modulator elekitiro-opitikaA fi ohun èlò kírísítà lithium niobate ńlá ṣe é, ìwọ̀n ẹ̀rọ náà sì tóbi gan-an, èyí tí kò lè bá àìní ìmọ̀ ẹ̀rọ fọ́tòn oníhò gbígbòòrò mu. Báwo ni a ṣe lè so àwọn ohun èlò lithium niobate pọ̀ mọ́ ìwọ̀n electro-optical onílànà sínú ètò ìmọ̀ ẹ̀rọ fọ́tòn oníhò gbígbòòrò mu ti di ibi-àfojúsùn àwọn olùwádìí tó yẹ. Ní ọdún 2018, ẹgbẹ́ ìwádìí kan láti Harvard University ní Amẹ́ríkà kọ́kọ́ ròyìn ìmọ̀ ẹ̀rọ ìbáṣepọ̀ fọ́tòn tí ó dá lórí fọ́tòn oníhò gbígbòòrò lithium niobate nínú Nature, nítorí pé ìmọ̀ ẹ̀rọ náà ní àwọn àǹfààní ìṣọ̀kan gíga, ìwọ̀n electro-optical modulation ńlá, àti ìwọ̀n electro-optical gíga, nígbà tí a bá ti ṣe ìfilọ́lẹ̀ rẹ̀, ó fa àfiyèsí ẹ̀kọ́ àti ti ilé-iṣẹ́ lẹ́sẹ̀kẹsẹ̀ nínú pápá ìbáṣepọ̀ fọ́tòn àti fọ́tòn oníhò gbígbòòrò. Láti ojú ìwòye lílo fọ́tòn oníhò gbígbòòrò, ìwé yìí ṣe àtúnyẹ̀wò ipa àti pàtàkì ìmọ̀ ẹ̀rọ ìbáṣepọ̀ fọ́tòn tí ó dá lórí fọ́tòn oníhò gbígbòòrò lithium niobate lórí ìdàgbàsókè ìmọ̀ ẹ̀rọ fọ́tòn oníhò gbígbòòrò.
Ohun elo tinrin fiimu lithium niobate ati fiimu tinrinmodulator litiumu niobate
Ní ọdún méjì tó kọjá yìí, irú ohun èlò lithium niobate tuntun kan ti yọ jáde, ìyẹn ni pé, a yọ fíìmù lithium niobate kúrò nínú kírísítì lithium niobate ńlá náà nípa lílo ọ̀nà “gígé ion” a sì so mọ́ Si wafer pẹ̀lú fẹ́lẹ́fẹ́lẹ́ silica láti ṣẹ̀dá ohun èlò LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], èyí tí a ń pè ní ohun èlò lithium niobate onírin nínú ìwé yìí. Àwọn atukọ̀ Ridge tí ó ní gíga ju nanometers 100 lọ ni a lè gé sórí àwọn ohun èlò lithium niobate onírinfẹ́ nípa lílo ìlànà gbígbẹ tí a ṣe àtúnṣe, àti ìyàtọ̀ atukọ̀ refractive tí ó munadoko ti àwọn atukọ̀ waveguide tí a ṣẹ̀dá lè dé ju 0.8 lọ (tí ó ga ju ìyàtọ̀ atukọ̀ refractive ti àwọn atukọ̀ waveguide lithium niobate àṣà ti 0.02 lọ), gẹ́gẹ́ bí a ṣe fihàn nínú Àwòrán 1. Atukọ̀ waveguide tí ó ní ìdíwọ́ gidigidi mú kí ó rọrùn láti bá pápá ìmọ́lẹ̀ mu pẹ̀lú pápá máíkrówéfù nígbà tí a bá ń ṣe àgbékalẹ̀ modulator náà. Nítorí náà, ó ṣe àǹfààní láti ṣàṣeyọrí foliteji ìdajì ìgbì tí ó kéré sí i àti bandwidth modulation tí ó tóbi jù ní gígùn kúkúrú.
Ìfarahàn ìwaveguide submicron lithium niobate tí ó dínkù díẹ̀ ń ba ìpele ìwakọ̀ gíga ti electro-optic modulator lithium niobate ìbílẹ̀ jẹ́. A lè dín àlàfo elekitirodu kù sí ~ 5 μm, àti pé ìfarapọ̀ láàrín pápá ina àti pápá mode optical yóò pọ̀ sí i gidigidi, àti pé vπ ·L yóò dínkù láti ju 20 V·cm lọ sí èyí tí ó kéré sí 2.8 V·cm. Nítorí náà, lábẹ́ foliteji ìdajì ìgbì kan náà, gígùn ẹ̀rọ náà lè dínkù gidigidi ní ìfiwéra pẹ̀lú modulator ìbílẹ̀. Ní àkókò kan náà, lẹ́yìn ṣíṣe àtúnṣe àwọn pàrámítà ti fífẹ̀, sisanra àti àárín electrode ìgbì ìrìnàjò, gẹ́gẹ́ bí a ti fihàn nínú àwòrán náà, modulator náà lè ní agbára ti bandwidth modulation gíga tí ó ju 100 GHz lọ.
Àwòrán 1 (a) ìpínkiri ipo iṣirò ati (b) aworan ti apakan agbelebu ti itọsọna igbi LN
Àwòrán 2 (a) Ìṣètò ìtọ́sọ́nà ìgbì omi àti elekitirodu àti （b) mojuto àwo ti LN modulator
Àfiwé àwọn modulators lithium niobate onífẹ̀ẹ́rẹ́ pẹ̀lú àwọn modulators oníṣòwò lithium niobate ìbílẹ̀, àwọn modulators tí a fi silicon ṣe àti àwọn modulators indium phosphide (InP) àti àwọn modulators electro-optical oníyẹ̀fun gíga mìíràn tí ó wà tẹ́lẹ̀, àwọn pàrámítà pàtàkì ti ìfiwéra náà ni:
(1) Ọjà ìdajì ìgbì folti-gíga (vπ ·L, V·cm), tí ó ń wọn bí modulator ṣe ń ṣiṣẹ́ dáadáa, bí iye rẹ̀ bá kéré sí i, bẹ́ẹ̀ náà ni bí modulation ṣe ń ṣiṣẹ́ dáadáa tó;
(2) Ìwọ̀n ìyípadà 3 dB (GHz), èyí tí ó ń wọn ìdáhùn modulator sí ìyípadà frequency gíga;
(3) Àìsí ìfàsẹ́yìn ojú (dB) ní agbègbè ìfàsẹ́yìn ojú (optic insertion loss). A lè rí i láti inú tábìlì pé fíìmù lithium niobate modulator ní àwọn àǹfààní tó hàn gbangba nínú ìfàsẹ́yìn ojú (modulatory bandwidth), foliteji ìdajì-wave, ìpàdánù ìfàsẹ́yìn ojú (optic interpolation loss) àti bẹ́ẹ̀ bẹ́ẹ̀ lọ.
A ti ṣe agbekalẹ silikoni, gẹ́gẹ́ bí ipilẹ̀ ìpìlẹ̀ ti optoelectronics ti a ti ṣepọ, titi di isisiyi, ilana naa ti dagba, idinku rẹ̀ jẹ́ iranlọwọ fun isọpọ nla ti awọn ẹrọ ti nṣiṣe lọwọ/palisive, ati pe a ti ṣe iwadi pupọ ati jinna si modulator rẹ ni aaye ibaraẹnisọrọ opitika. Eto imudọgba elekitiro-opitika ti silikoni jẹ pataki depling-tion ti ngbe, abẹrẹ gbigbe ati ikojọpọ gbigbe. Lara wọn, bandwidth ti modulator jẹ ti o dara julọ pẹlu ẹrọ idinku gbigbe iwọn ila opin, ṣugbọn nitori pe pinpin aaye opitika ṣe afiwera pẹlu aiṣedeede ti agbegbe idinku, ipa yii yoo ṣafihan awọn ofin iyipada aṣẹ keji ti kii ṣe laini ati awọn ofin iyipada intermodulation ti ipele kẹta, pẹlu ipa gbigba ti olugbẹ lori ina, eyiti yoo ja si idinku ti titobi modulation opitika ati iyipada ifihan agbara.
Modulator InP ní àwọn ipa elekitiro-opitika tó tayọ, àti pé ìṣètò kanga quantum onípele púpọ̀ lè ṣe àwọn modulators foliteji onípele gíga àti onípele kékeré pẹ̀lú Vπ·L títí dé 0.156V · mm. Síbẹ̀síbẹ̀, ìyàtọ̀ nínú àtọ́ka refractive pẹ̀lú pápá iná mànàmáná ní àwọn ọ̀rọ̀ linear àti nonlinear, àti pé ìbísí agbára pápá iná mànàmáná yóò mú kí ipa ìpele kejì hàn gbangba. Nítorí náà, àwọn modulators electro-optical silicon àti InP nílò láti lo ìfàsẹ́yìn láti ṣẹ̀dá ìjùmọ̀sọ̀rọ̀ pn nígbà tí wọ́n bá ń ṣiṣẹ́, ìjùmọ̀sọ̀rọ̀ pn yóò sì mú ìpàdánù ìfàsẹ́yìn wá sí ìmọ́lẹ̀. Síbẹ̀síbẹ̀, ìwọ̀n modulator ti àwọn méjì wọ̀nyí kéré, ìwọ̀n modulator InP ti ìṣòwò jẹ́ 1/4 ti modulator LN. Ìṣiṣẹ́ modulation gíga, ó dára fún àwọn nẹ́tíwọ́ọ̀kì gbigbe opitika oni-nọmba gígùn kukuru bíi àwọn ilé-iṣẹ́ data. Ipa electro-opitika ti lithium niobate kò ní ẹ̀rọ gbigba ìmọ́lẹ̀ àti àdánù díẹ̀, èyí tí ó yẹ fún ìṣọ̀kan ijinna gígùnìbánisọ̀rọ̀ opitikapẹ̀lú agbára ńlá àti ìwọ̀n gíga. Nínú lílo fọ́tòn oníná nínú máíkrówéfù, àwọn ìwọ̀n agbára oníná nínú Sí àti InP kìí ṣe línéènì, èyí tí kò yẹ fún ètò fọ́tòn oníná nínú máíkrówéfù tí ó ń lépa línéènì gíga àti agbára ńlá. Ohun èlò lithium niobate dára gan-an fún lílo fọ́tòn oníná nínú máíkrówéfù nítorí pé ó ní ìwọ̀n agbára oníná nínú máàkrówéfù pátápátá.
Àkókò ìfìwéránṣẹ́: Oṣù Kẹrin-22-2024