Buannachdan agus cudromachd lithium niobate film tana ann an teicneòlas photon microwave amalaichte
Teicneòlas foton meanbh-thonnTha buannachdan aige leithid leud-bann obrach mòr, comas giollachd co-shìnte làidir agus call tar-chuir ìosal, agus tha comas aige briseadh sìos a’ bhacail theicnigeach ann an siostaman meanbh-thonn traidiseanta agus coileanadh uidheamachd fiosrachaidh dealanach armachd leithid radar, cogadh dealanach, conaltradh agus tomhas is smachd a leasachadh. Ach, tha cuid de dhuilgheadasan aig an t-siostam foton meanbh-thonn stèidhichte air innealan fa leth leithid meud mòr, cuideam trom agus droch sheasmhachd, a chuireas bacadh mòr air cleachdadh teicneòlas foton meanbh-thonn ann an àrd-ùrlaran fànais is adhair. Mar sin, tha teicneòlas foton meanbh-thonn amalaichte a’ sìor fhàs na thaic chudromach gus briseadh sìos cleachdadh foton meanbh-thonn ann an siostaman fiosrachaidh dealanach armachd agus làn chluich a thoirt do bhuannachdan teicneòlas foton meanbh-thonn.
An-dràsta, tha teicneòlas amalachaidh fotonach stèidhichte air SI agus teicneòlas amalachaidh fotonach stèidhichte air INP air fàs nas aibidh an dèidh bliadhnaichean de leasachadh ann an raon conaltraidh optigeach, agus tha mòran thoraidhean air an cur air a’ mhargaidh. Ach, airson cleachdadh foton meanbh-thonn, tha cuid de dhuilgheadasan anns an dà sheòrsa teicneòlas amalachaidh foton seo: mar eisimpleir, tha an co-èifeachd electro-optigeach neo-loidhneach de mhodulator Si agus modulator InP an aghaidh an loidhneachd àrd agus feartan fiùghantach mòra a tha teicneòlas foton meanbh-thonn a’ sireadh; Mar eisimpleir, tha duilgheadasan aig an suidse optigeach silicon a bhios a’ coileanadh suidseadh slighe optigeach, ge bith an e buaidh teirmeach-optigeach, buaidh piezoelectric, no buaidh sgaoilidh stealladh giùlain a th’ ann, le astar suidsidh slaodach, caitheamh cumhachd agus caitheamh teas, nach urrainn coinneachadh ri tagraidhean sganadh beam luath agus foton meanbh-thonn sgèile mhòr.
Is e lithium niobate a’ chiad roghainn a-riamh airson astar àrdmodulachadh electro-optaigeachstuthan air sgàth a’ bhuaidh electro-optaigeach loidhneach sàr-mhath a th’ aige. Ach, an lithium niobate traidiseantamoduladair electro-optaigeachTha e air a dhèanamh de stuth criostail lithium niobate mòr, agus tha meud an uidheim glè mhòr, nach urrainn coinneachadh ri feumalachdan teicneòlas foton microwave amalaichte. Tha mar a chuireas tu stuthan lithium niobate le co-èifeachd electro-optaigeach loidhneach a-steach don t-siostam teicneòlas foton microwave amalaichte air a bhith na amas aig luchd-rannsachaidh buntainneach. Ann an 2018, thug sgioba rannsachaidh bho Oilthigh Harvard anns na Stàitean Aonaichte cunntas an toiseach air an teicneòlas amalachaidh fotonaigeach stèidhichte air lithium niobate film tana ann an Nature, leis gu bheil buannachdan aig an teicneòlas leithid amalachadh àrd, leud-bann modulachaidh electro-optaigeach mòr, agus loidhneachd àrd de bhuaidh electro-optaigeach, aon uair ‘s gun deach a chuir air bhog, thug e aire acadaimigeach agus gnìomhachais sa bhad ann an raon amalachadh fotonaigeach agus fotonics microwave. Bho shealladh tagradh foton microwave, tha am pàipear seo a’ dèanamh ath-sgrùdadh air buaidh agus cudromachd teicneòlas amalachaidh foton stèidhichte air lithium niobate film tana air leasachadh teicneòlas foton microwave.
Stuth lithium niobate film tana agus film tanamoduladair lithium niobate
Anns an dà bhliadhna a dh’fhalbh, tha seòrsa ùr de stuth lithium niobate air nochdadh, is e sin, tha am film lithium niobate air a thoirt a-mach às a’ chriostal lithium niobate mòr leis an dòigh “ion slicing” agus air a cheangal ris an wafer Si le sreath bufair silica gus stuth LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] a chruthachadh, ris an canar stuth lithium niobate film tana san phàipear seo. Faodar treòraichean tonn druim le àirde nas motha na 100 nanometers a ghràbhaladh air stuthan lithium niobate film tana le pròiseas gràbhaladh tioram leasaichte, agus faodaidh an diofar clàr-amais ath-tharraingeach èifeachdach de na treòraichean tonn a chaidh a chruthachadh ruighinn barrachd air 0.8 (fada nas àirde na an diofar clàr-amais ath-tharraingeach de threòraichean tonn lithium niobate traidiseanta de 0.02), mar a chithear ann am Figear 1. Tha an treòraiche tonn a tha air a chuingealachadh gu làidir ga dhèanamh nas fhasa an raon solais a mhaidseadh leis an raon microwave nuair a thathar a’ dealbhadh an moduladair. Mar sin, tha e buannachdail bholtaids leth-thonn nas ìsle agus leud-bann modulachaidh nas motha a choileanadh ann am fad nas giorra.
Bidh coltas tonn-stiùiridh fo-micron lithium niobate le call ìosal a’ briseadh a’ bhacail a tha an lùib bholtaids dràibhidh àrd moduladair electro-optaigeach lithium niobate traidiseanta. Faodar an t-astar eadar na electrodan a lùghdachadh gu ~ 5 μm, agus tha an tar-lùbadh eadar an raon dealain agus an raon modh optaigeach air a mheudachadh gu mòr, agus tha an vπ ·L a’ lùghdachadh bho chòrr air 20 V·cm gu nas lugha na 2.8 V·cm. Mar sin, fon aon bholtaids leth-thonn, faodar fad an inneil a lùghdachadh gu mòr an taca ris a’ moduladair traidiseanta. Aig an aon àm, às deidh paramadairean leud, tighead agus eadar-ama an electrod tonn siubhail a bharrachadh, mar a chithear san fhigear, faodaidh am moduladair comas a bhith aige air leud-bann modulachaidh ultra-àrd nas motha na 100 GHz.
Figear 1 (a) sgaoileadh modh obraichte agus (b) ìomhaigh den earrann-tarsainn de threòraiche tonn LN
Figear 2 (a) Structar treòraiche-tonn agus electrod agus (b) prìomh phlàta moduladair LN
An coimeas eadar moduladairean lithium niobate film tana agus moduladairean malairteach lithium niobate traidiseanta, moduladairean stèidhichte air silicon agus moduladairean indium phosphide (InP) agus moduladairean electro-optigeach àrd-astar eile a tha ann mar-thà, tha prìomh pharaimeatairean a’ choimeas a’ toirt a-steach:
(1) Toradh fad-bholta leth-thonn (vπ ·L, V·cm), a’ tomhas èifeachdas modulachaidh a’ mhodaladair, mar as lugha an luach, ’s ann as àirde an èifeachdas modulachaidh;
(2) leud-bann modulachaidh 3 dB (GHz), a bhios a’ tomhas freagairt a’ mhodaladair ri modulachadh àrd-tricead;
(3) Call cuir a-steach optaigeach (dB) anns an roinn modulachaidh. Chithear bhon chlàr gu bheil buannachdan follaiseach aig moduladair lithium niobate film tana ann an leud-bann modulachaidh, bholtaids leth-thonn, call eadar-phòlachaidh optaigeach agus mar sin air adhart.
Tha sileacon, mar chlach-oisinn optoelectronics amalaichte, air a leasachadh gu ruige seo, tha am pròiseas aibidh, tha a mhion-atharrachadh a’ brosnachadh amalachadh mòr-sgèile de dh’ innealan gnìomhach/fulangach, agus tha a mhodulator air a bhith air a sgrùdadh gu farsaing agus gu domhainn ann an raon conaltraidh optigeach. Is e lughdachadh giùlan, stealladh giùlan agus cruinneachadh giùlan am prìomh dhòigh-obrach mhodulator dealan-optigeach sileacon. Nam measg, tha leud-bann a’ mhodulator as fheàrr leis an dòigh-obrach lughdachadh giùlan ceum loidhneach, ach leis gu bheil an sgaoileadh achaidh optigeach a’ dol thairis air neo-chunbhalachd na sgìre lughdachadh, bheir a’ bhuaidh seo a-steach teirmean saobhadh neo-loidhneach dàrna-òrdugh agus saobhadh eadar-mhodulator treas-òrdugh, còmhla ri buaidh gabhail a-steach a’ ghiùlain air an t-solas, a bheir gu lùghdachadh meud modulachaidh optigeach agus saobhadh comharran.
Tha buaidhean electro-optaigeach air leth aig a’ mhodaladair InP, agus faodaidh structar tobair cuantamach ioma-fhilleadh modaladairean ìre fìor àrd agus bholtaids dràibhidh ìosal a thoirt gu buil le Vπ·L suas gu 0.156V·mm. Ach, tha atharrachadh clàr-amais ath-tharraingeach leis an raon dealain a’ toirt a-steach teirmean loidhneach agus neo-loidhneach, agus nì àrdachadh dian an raoin dealain a’ bhuaidh dàrna-òrdugh follaiseach. Mar sin, feumaidh modaladairean electro-optaigeach silicon agus InP claonadh a chuir an sàs gus snaim pn a chruthachadh nuair a bhios iad ag obair, agus bheir snaim pn call gabhail a-steach don t-solas. Ach, tha meud an modaladair seo beag, tha meud a’ mhodaladair InP malairteach 1/4 de mheud a’ mhodaladair LN. Èifeachdas modulachaidh àrd, freagarrach airson lìonraidhean tar-chuir optaigeach didseatach dùmhlachd àrd agus astar goirid leithid ionadan dàta. Chan eil inneal gabhail solais aig buaidh electro-optaigeach lithium niobate agus call ìosal, a tha freagarrach airson co-leanailteach fad-astar.conaltradh optaigeachle comas mòr agus ìre àrd. Ann an tagradh foton meanbh-thonn, tha co-èifeachdan electro-optaigeach Si agus InP neo-loidhneach, rud nach eil freagarrach airson siostam foton meanbh-thonn a tha a’ sireadh loidhneachd àrd agus daineamaigs mhòr. Tha an stuth lithium niobate glè fhreagarrach airson tagradh foton meanbh-thonn air sgàth a cho-èifeachd modulachaidh electro-optaigeach gu tur loidhneach.
Àm puist: 22 Giblean 2024