ቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮቤት ቁሳቁስ እና ቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮቤት ሞዱለር

በተቀናጀ ማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ ውስጥ ቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮቤት ጥቅሞች እና ጠቀሜታ

የማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂትልቅ የስራ ባንድዊድዝ፣ ጠንካራ ትይዩ የማቀነባበሪያ ችሎታ እና ዝቅተኛ የማስተላለፊያ ኪሳራ ጥቅሞች አሉት፣ ይህም ባህላዊውን የማይክሮዌቭ ስርዓት ቴክኒካዊ ማነቆ የመስበር እና እንደ ራዳር፣ የኤሌክትሮኒክስ ጦርነት፣ የመገናኛ እና የመለኪያ እና የቁጥጥር ያሉ የወታደራዊ ኤሌክትሮኒክስ መረጃ መሳሪያዎችን አፈፃፀም ለማሻሻል አቅም አለው። ሆኖም ግን፣ በተለዩ መሳሪያዎች ላይ የተመሰረተው የማይክሮዌቭ ፎቶን ስርዓት እንደ ትልቅ መጠን፣ ከባድ ክብደት እና ደካማ መረጋጋት ያሉ አንዳንድ ችግሮች አሉት፣ ይህም የማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ በጠፈር እና በአየር ወለድ መድረኮች ውስጥ መተግበርን በእጅጉ ይገድባል። ስለዚህ፣ የተቀናጀ የማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ በወታደራዊ ኤሌክትሮኒክስ መረጃ ስርዓት ውስጥ የማይክሮዌቭ ፎቶን አተገባበርን ለመስበር እና የማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ ጥቅሞችን ሙሉ በሙሉ ለመስጠት አስፈላጊ ድጋፍ እየሆነ መጥቷል።

በአሁኑ ጊዜ፣ በSI ላይ የተመሰረተ የፎቶኒክ ውህደት ቴክኖሎጂ እና በINP ላይ የተመሰረተ የፎቶኒክ ውህደት ቴክኖሎጂ በኦፕቲካል ኮሙኒኬሽን መስክ ለዓመታት እድገት ከተደረገ በኋላ እየበሰሉ መጥተዋል፣ እና ብዙ ምርቶች ወደ ገበያ ገብተዋል። ሆኖም፣ የማይክሮዌቭ ፎቶን ለመተግበር፣ በእነዚህ ሁለት የፎቶን ውህደት ቴክኖሎጂዎች ውስጥ አንዳንድ ችግሮች አሉ፡ ለምሳሌ፣ የSi ሞዱለር እና InP ሞዱለር መስመራዊ ያልሆነ ኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ኮፊሸንት በማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ ከሚከተለው ከፍተኛ መስመራዊነት እና ትላልቅ ተለዋዋጭ ባህሪያት ጋር ይቃረናል፤ ለምሳሌ፣ የኦፕቲካል መንገድ መቀያየርን የሚያገኘው የሲሊኮን ኦፕቲካል ማብሪያ፣ በሙቀት-ኦፕቲካል ተጽእኖ፣ በፓይዞኤሌክትሪክ ተጽእኖ ወይም በተሸካሚ መርፌ ስርጭት ውጤት ላይ የተመሰረተ፣ የዘገየ የመቀየሪያ ፍጥነት፣ የኃይል ፍጆታ እና የሙቀት ፍጆታ ችግሮች አሉት፣ ይህም ፈጣን የጨረር ቅኝት እና ትልቅ የድርድር ልኬት ማይክሮዌቭ ፎቶን አፕሊኬሽኖችን ማሟላት አይችልም።

ሊቲየም ኒዮባት ሁልጊዜ ለከፍተኛ ፍጥነት የመጀመሪያው ምርጫ ነውኤሌክትሮ-ኦፕቲክ ሞዱላሽንቁሳቁሶች እጅግ በጣም ጥሩ መስመራዊ ኤሌክትሮ-ኦፕቲክ ተጽእኖ ስላላቸው። ሆኖም ግን፣ ባህላዊው ሊቲየም ኒዮባትኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ሞዱለርከግዙፍ የሊቲየም ኒዮባት ክሪስታል ቁሳቁስ የተሰራ ሲሆን የመሳሪያው መጠን በጣም ትልቅ ነው፣ ይህም የተቀናጀ የማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ ፍላጎቶችን ማሟላት አይችልም። ሊቲየም ኒዮባት ቁሳቁሶችን ከሊኒየር ኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ኮፊሸንት ጋር ወደ የተቀናጀ የማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ ስርዓት እንዴት ማዋሃድ እንደሚቻል የሚመለከታቸው ተመራማሪዎች ግብ ሆኗል። እ.ኤ.አ. በ2018፣ ከዩናይትድ ስቴትስ የሃርቫርድ ዩኒቨርሲቲ የምርምር ቡድን ለመጀመሪያ ጊዜ በተፈጥሮ ውስጥ በቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮባት ላይ የተመሠረተ የፎቶኒክ ውህደት ቴክኖሎጂን ሪፖርት አድርጓል፣ ምክንያቱም ቴክኖሎጂው ከፍተኛ ውህደት፣ ትልቅ የኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ሞዱሌሽን ባንድዊድዝ እና ከፍተኛ የኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ተጽእኖ መስመራዊ ጥቅሞች ስላሉት፣ አንዴ ከተጀመረ በኋላ ወዲያውኑ በፎቶኒክ ውህደት እና በማይክሮዌቭ ፎቶኒክስ መስክ የአካዳሚክ እና የኢንዱስትሪ ትኩረትን አስከትሏል። ከማይክሮዌቭ ፎቶን አተገባበር አንፃር፣ ይህ ጽሑፍ በቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮባት ላይ የተመሠረተ የፎቶን ውህደት ቴክኖሎጂ በማይክሮዌቭ ፎቶን ቴክኖሎጂ እድገት ላይ ያለውን ተጽዕኖ እና ጠቀሜታ ይገመግማል።

ቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮቤት ቁሳቁስ እና ቀጭን ፊልምየሊቲየም ኒዮባት ሞዱለር
በቅርብ ሁለት ዓመታት ውስጥ፣ አዲስ ዓይነት የሊቲየም ኒዮቤት ቁሳቁስ ብቅ ብሏል፣ ማለትም፣ የሊቲየም ኒዮቤት ፊልም ከግዙፉ የሊቲየም ኒዮቤት ክሪስታል በ"አዮን መቆራረጥ" ዘዴ ተወግዶ ከሲሊካ ቋት ንብርብር ጋር ከሲ ዋፈር ጋር ተጣብቆ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) ቁሳቁስ [5] ይፈጥራል፣ ይህም በዚህ ወረቀት ውስጥ ቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮቤት ቁሳቁስ ይባላል። ከ100 ናኖሜትሮች በላይ ቁመት ያላቸው የሪጅ ሞገድ መመሪያዎች በተመቻቸ ደረቅ የመቅረጽ ሂደት በቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮቤት ቁሳቁሶች ላይ ሊቀረጹ ይችላሉ፣ እና የተፈጠሩት የሞገድ መመሪያዎች ውጤታማ የማጣቀሻ መረጃ ጠቋሚ ልዩነት ከ0.8 በላይ ሊደርስ ይችላል (ከባህላዊ ሊቲየም ኒዮቤት ሞገድ መመሪያዎች 0.02 በጣም ከፍ ያለ)፣ በስእል 1 ላይ እንደሚታየው። በጥብቅ የተገደበው የሞገድ መመሪያ ሞዱለተሩን ሲነድፉ የብርሃን መስክን ከማይክሮዌቭ መስክ ጋር ለማዛመድ ቀላል ያደርገዋል። ስለዚህ፣ ዝቅተኛ የግማሽ ሞገድ ቮልቴጅ እና ትልቅ የሞዱሌሽን ባንድዊድዝ በአጭር ርዝመት ማግኘት ጠቃሚ ነው።

ዝቅተኛ ኪሳራ ያለው የሊቲየም ኒዮባት ንዑስ ማይክሮን ሞገድ መሪ መታየት የባህላዊ ሊቲየም ኒዮባት ኤሌክትሮ-ኦፕቲክ ሞዱለር ከፍተኛ የመንዳት ቮልቴጅ ማነቆን ይሰብራል። የኤሌክትሮድ ክፍተት ወደ ~ 5 μm ሊቀንስ ይችላል፣ እና በኤሌክትሪክ መስክ እና በኦፕቲካል ሁነታ መስክ መካከል ያለው መደራረብ በከፍተኛ ሁኔታ ይጨምራል፣ እና vπ · L ከ20 V·cm በላይ ወደ 2.8 V·cm ያነሰ ይቀንሳል። ስለዚህ፣ በተመሳሳይ የግማሽ ሞገድ ቮልቴጅ ስር፣ የመሳሪያው ርዝመት ከባህላዊ ሞዱለር ጋር ሲነጻጸር በእጅጉ ሊቀንስ ይችላል። በተመሳሳይ ጊዜ፣ በስዕሉ ላይ እንደሚታየው የተጓዥ ሞገድ ኤሌክትሮድ ስፋት፣ ውፍረት እና ክፍተት መለኪያዎችን ካመቻቸ በኋላ፣ ሞዱተሩ ከ100 GHz በላይ እጅግ ከፍተኛ የሞዱሽን ባንድዊድዝ ችሎታ ሊኖረው ይችላል።

ምስል 1 (ሀ) የተሰላ ሁነታ ስርጭት እና የLN ሞገድ መመሪያ መስቀለኛ ክፍል ምስል (ለ)

ምስል 2 (ሀ) የሞገድ መመሪያ እና የኤሌክትሮድ መዋቅር እና የLN ሞዱለር （ለ) ዋና ሰሌዳ

ቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮባት ሞዱለተሮችን ከባህላዊ የሊቲየም ኒዮቤት የንግድ ሞዱለሮች፣ በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ሞዱለሮች እና ኢንዲየም ፎስፋይድ (ኢንፒ) ሞዱለተሮች እና ሌሎች ነባር ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው ኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ሞዱለሮች ጋር ማወዳደር፣ የንፅፅሩ ዋና ዋና መለኪያዎች የሚከተሉትን ያካትታሉ፡
(1) የግማሽ ሞገድ የቮልት ርዝመት ምርት (vπ ·L፣ V·cm)፣ የሞዱተሩን የሞዱላሽን ውጤታማነት የሚለካ፣ እሴቱ አነስተኛ ሲሆን፣ የሞዱላሽን ውጤታማነት ይጨምራል፤
(2) 3 dB ሞዱሌሽን ባንድዊድዝ (GHz)፣ ይህም ሞዱተሩ ለከፍተኛ-ድግግሞሽ ሞዱሌሽን የሚሰጠውን ምላሽ የሚለካ ነው፤
(3) በሞጁል ክልል ውስጥ የኦፕቲካል ኢንሴክሽን ኪሳራ (dB)። ቀጭን ፊልም ሊቲየም ኒዮባት ሞዱለር በማሞጁል ባንድዊድዝ፣ በግማሽ ሞገድ ቮልቴጅ፣ በኦፕቲካል ኢንተርፖሌሽን ኪሳራ እና በመሳሰሉት ግልጽ ጥቅሞች እንዳሉት ከሰንጠረዡ ማየት ይቻላል።

ሲሊከን፣ የተቀናጁ የኦፕቶኤሌክትሮኒክስ ዋና መሠረት እንደመሆኑ መጠን እስካሁን ድረስ ተዘጋጅቷል፣ ሂደቱ የበሰለ ነው፣ አነስተኛነቱ ለንቁ/ተገጣጣሚ መሳሪያዎች ሰፊ ውህደት ምቹ ነው፣ እና ሞዱለተሩ በኦፕቲካል ኮሙኒኬሽን መስክ በስፋት እና በጥልቀት ተጠንቷል። የሲሊከን ኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ሞዱሌሽን ዘዴ በዋናነት ተሸካሚ ዲፕሊንግ-ሽን፣ ተሸካሚ መርፌ እና ተሸካሚ ክምችት ነው። ከእነዚህም መካከል የሞዱለተሩ የመተላለፊያ ይዘት ከመስመር ዲግሪ ተሸካሚ ዲፕሊንግ ሜካኒዝም ጋር በጣም ጥሩ ነው፣ ነገር ግን የኦፕቲካል መስክ ስርጭት ከመጥፋት ክልል አለመመጣጠን ጋር ስለሚደራረብ፣ ይህ ውጤት መስመራዊ ያልሆነ ሁለተኛ ደረጃ ዲፕሊንግ እና የሶስተኛ ደረጃ ኢንተርሞዱሌሽን ዲሞሌሽን ውሎችን ያስተዋውቃል፣ ይህም የኦፕቲካል ሞዱሌሽን ስፋት እና የምልክት መዛባት እንዲቀንስ ያደርጋል።

የInP ሞዱለር እጅግ በጣም ጥሩ የኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ውጤቶች አሉት፣ እና ባለብዙ-ንብርብር የኳንተም ጉድጓድ መዋቅር እስከ 0.156V · ሚሜ ድረስ ከVπ·L ጋር እጅግ በጣም ከፍተኛ ፍጥነት እና ዝቅተኛ የመንዳት ቮልቴጅ ሞዱላተሮችን ማሳካት ይችላል። ሆኖም፣ ከኤሌክትሪክ መስክ ጋር ያለው የማጣቀሻ ኢንዴክስ ልዩነት መስመራዊ እና መስመራዊ ያልሆኑ ቃላትን ያካትታል፣ እና የኤሌክትሪክ መስክ ጥንካሬ መጨመር የሁለተኛውን ቅደም ተከተል ውጤት ጎልቶ እንዲታይ ያደርገዋል። ስለዚህ፣ ሲሊኮን እና InP ኤሌክትሮ-ኦፕቲክ ሞዱላተሮች ሲሰሩ የ pn መጋጠሚያ ለመፍጠር አድልዎ መተግበር አለባቸው፣ እና pn መጋጠሚያ የመምጠጥ ኪሳራን ወደ ብርሃን ያመጣል። ሆኖም፣ የእነዚህ ሁለት ሞዱላተር መጠን ትንሽ ነው፣ የንግድ InP ሞዱላተር መጠን የLN ሞዱላተር 1/4 ነው። ከፍተኛ የሞዱላሽን ውጤታማነት፣ እንደ የውሂብ ማዕከላት ላሉ ከፍተኛ ጥግግት እና ለአጭር ርቀት ዲጂታል ኦፕቲካል ማስተላለፊያ አውታረ መረቦች ተስማሚ። የሊቲየም ኒዮባት ኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ተጽእኖ የብርሃን መምጠጥ ዘዴ እና ዝቅተኛ ኪሳራ የለውም፣ ይህም ለረጅም ርቀት ወጥነት ተስማሚ ነው።የኦፕቲካል ኮሙኒኬሽንከፍተኛ አቅም እና ከፍተኛ ፍጥነት ያለው። በማይክሮዌቭ ፎቶን አተገባበር ውስጥ፣ የSi እና InP ኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ኮፊሸንቶች መስመራዊ ያልሆኑ ናቸው፣ ይህም ከፍተኛ መስመራዊነት እና ትልቅ ተለዋዋጭነትን ለሚከታተለው የማይክሮዌቭ ፎቶን ስርዓት ተስማሚ አይደለም። የሊቲየም ኒዮቤት ቁሳቁስ ሙሉ በሙሉ መስመራዊ የኤሌክትሮ-ኦፕቲክ ሞዱሌሽን ኮፊሸንት ስለሆነ ለማይክሮዌቭ ፎቶን አተገባበር በጣም ተስማሚ ነው።