ሊቲየም ኒዮቤት በኢንሱሌተር (LNOI) ላይ፡ የፎቶኒክ የተዋሃዱ ሰርኩይቶችን እድገት ማነቃቃት

መግቢያ

በኤሌክትሮኒክስ የተቀናጁ ሰርኩዊቶች (EICs) ስኬት ተመስጦ የፎቶኒክ የተቀናጁ ሰርኩዊቶች (PICs) መስክ ከ1969 ጀምሮ እየተሻሻለ መጥቷል። ሆኖም፣ ከEICs በተለየ፣ የተለያዩ የፎቶኒክ አፕሊኬሽኖችን ለመደገፍ የሚችል ሁለንተናዊ መድረክ መዘርጋት ትልቅ ፈተና ሆኖ ቀጥሏል። ይህ ጽሑፍ ለቀጣዩ ትውልድ PICs በፍጥነት ተስፋ ሰጪ መፍትሄ የሆነውን የሊቲየም ኒዮቤት ኢንሱሌተር (LNOI) ቴክኖሎጂን ይዳስሳል።

የLNOI ቴክኖሎጂ እድገት

ሊቲየም ኒዮቤት (LN) ለረጅም ጊዜ ለፎቶኒክ አፕሊኬሽኖች ቁልፍ ቁሳቁስ እንደሆነ ይታወቃል። ሆኖም ግን፣ ቀጭን ፊልም LNOI እና የላቁ የማምረቻ ቴክኒኮች መምጣት ብቻ ሙሉ አቅሙ ተከፍቷል። ተመራማሪዎች በLNOI መድረኮች ላይ እጅግ በጣም ዝቅተኛ-ኪው-ኪው-ማይክሮሬሶናተሮችን እና እጅግ በጣም ከፍተኛ-ኪው-ሬዞናተሮችን በተሳካ ሁኔታ አሳይተዋል [1]፣ ይህም በተቀናጁ የፎቶኒክስ ላይ ጉልህ የሆነ ዝላይ ምልክት ነው።

የLNOI ቴክኖሎጂ ዋና ዋና ጥቅሞች

• እጅግ በጣም ዝቅተኛ የኦፕቲካል ኪሳራ(እስከ 0.01 dB/cm ዝቅተኛ)
• ከፍተኛ ጥራት ያላቸው ናኖፎቶኒክ መዋቅሮች
• ለተለያዩ መስመራዊ ያልሆኑ የኦፕቲካል ሂደቶች ድጋፍ
• የተቀናጀ ኤሌክትሮ-ኦፕቲክ (EO) ማስተካከያ

በLNOI ላይ መስመራዊ ያልሆኑ የኦፕቲካል ሂደቶች

በLNOI መድረክ ላይ የተገነቡ ከፍተኛ አፈጻጸም ያላቸው ናኖፎቶኒክ መዋቅሮች ቁልፍ የሆኑ መስመራዊ ያልሆኑ የኦፕቲካል ሂደቶችን በሚያስደንቅ ቅልጥፍና እና አነስተኛ የፓምፕ ኃይል እንዲተገበሩ ያስችላቸዋል። የተረጋገጡ ሂደቶች የሚከተሉትን ያካትታሉ፡

• ሁለተኛው የሃርሞኒክ ትውልድ (SHG)
• የድምር ፍሪኩዌንሲ ማመንጨት (SFG)
• የድግግሞሽ ልዩነት ማመንጨት (DFG)
• ፓራሜትሪክ ዳውን-ኮንቨርሽን (PDC)
• አራት-ሞገድ ማደባለቅ (FWM)

እነዚህን ሂደቶች ለማሻሻል የተለያዩ የደረጃ ማዛመጃ መርሃ ግብሮች ተግባራዊ ሆነዋል፣ ይህም LNOIን እንደ እጅግ በጣም ሁለገብ ያልሆነ መስመራዊ የኦፕቲካል መድረክ አድርጎ አቋቁሟል።

በኤሌክትሮ-ኦፕቲካል ማስተካከያ ሊደረጉ የሚችሉ የተዋሃዱ መሳሪያዎች

የLNOI ቴክኖሎጂ እንደሚከተሉት ያሉ የተለያዩ ንቁ እና ተገብሮ የሚስተካከሉ የፎቶኒክ መሳሪያዎችን እንዲፈጥሩ አስችሏል፡

• ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው የኦፕቲካል ሞዱለተሮች
• እንደገና ሊዋቀሩ የሚችሉ ባለብዙ ተግባር ፒክሰሎች
• ሊስተካከሉ የሚችሉ የድግግሞሽ ኮምቦች
• ማይክሮ-ኦፕቶሜካኒካል ስፕሪንግስ

እነዚህ መሳሪያዎች ትክክለኛ እና ከፍተኛ ፍጥነት ያለው የብርሃን ምልክቶችን ለመቆጣጠር የሊቲየም ኒዮባት ውስጣዊ የኢኦ ባህሪያትን ይጠቀማሉ።

የLNOI ፎቶኒክስ ተግባራዊ አተገባበር

በLNOI ላይ የተመሰረቱ PICs አሁን ቁጥራቸው እየጨመረ በሚሄድ ተግባራዊ አፕሊኬሽኖች ውስጥ ተቀባይነት እያገኙ ነው፣ ከእነዚህም ውስጥ የሚከተሉት ይገኙበታል፡

• ማይክሮዌቭ-ወደ-ኦፕቲካል መቀየሪያዎች
• የኦፕቲካል ዳሳሾች
• የኦን-ቺፕ ስፔክትሮሜትሮች
• የኦፕቲካል ፍሪኩዌንሲ ኮምቦች
• የላቁ የቴሌኮሙኒኬሽን ስርዓቶች

እነዚህ አፕሊኬሽኖች የኤልኤንኦአይ (LNOI) አቅምን ከጅምላ-ኦፕቲክ ክፍሎች አፈፃፀም ጋር ለማዛመድ ያሳያሉ፣ በተመሳሳይ ጊዜ በፎቶሊቶግራፊክ ማምረቻ በኩል ሊሰፋ የሚችል እና ኃይል ቆጣቢ መፍትሄዎችን ይሰጣሉ።

የአሁኑ ተግዳሮቶች እና የወደፊት አቅጣጫዎች

ተስፋ ሰጪ እድገት ቢኖርም፣ የLNOI ቴክኖሎጂ በርካታ ቴክኒካዊ መሰናክሎችን ያጋጥመዋል፡

ሀ) የኦፕቲካል ብክነትን የበለጠ መቀነስ
የአሁኑ የሞገድ መሪ ኪሳራ (0.01 dB/cm) አሁንም ከቁስ መምጠጥ ገደብ በላይ የሆነ የመጠን ቅደም ተከተል ነው። የገጽታ ሸካራነትን እና ከመምጠጥ ጋር የተያያዙ ጉድለቶችን ለመቀነስ በአዮን መቆራረጥ ቴክኒኮች እና በናኖፋብሪኬሽን ላይ እድገቶች ያስፈልጋሉ።

ለ) የተሻሻለ የሞገድ መመሪያ ጂኦሜትሪ ቁጥጥር
የተከታታይነት ወይም የስርጭት ብክነትን ሳይጨምር ከ700 nm በታች የሆኑ የማዕበል መሪዎችን እና ከ2 μm በታች የሆኑ የመገጣጠሚያ ክፍተቶችን ማንቃት ለከፍተኛ የውህደት ጥግግት ወሳኝ ነው።

ሐ) የመገጣጠሚያ ቅልጥፍናን ማሻሻል
የተጠላለፉ ፋይበርዎች እና ሁነታ መቀየሪያዎች ከፍተኛ የማጣመሪያ ቅልጥፍናን ለማግኘት ቢረዱም፣ ፀረ-ነጸብራቅ ሽፋኖች የአየር-ቁሳቁስ በይነገጽ ነጸብራቆችን የበለጠ ሊቀንሱ ይችላሉ።

መ) ዝቅተኛ-ኪሳራ ያላቸው የፖላራይዜሽን ክፍሎች ልማት
በLNOI ላይ ያሉ ፖላራይዜሽን-ስሜታዊ ያልሆኑ የፎቶኒክ መሳሪያዎች አስፈላጊ ናቸው፣ ይህም ከነፃ-ቦታ ፖላራይዘሮች አፈፃፀም ጋር የሚዛመዱ ክፍሎችን ይፈልጋል።

ሠ) የቁጥጥር ኤሌክትሮኒክስ ውህደት
የኦፕቲካል አፈጻጸምን ሳያበላሹ ትላልቅ የመቆጣጠሪያ ኤሌክትሮኒክስን ውጤታማ በሆነ መንገድ ማዋሃድ ቁልፍ የምርምር አቅጣጫ ነው።

ረ) የላቀ የደረጃ ማዛመድ እና ስርጭት ምህንድስና
በንዑስ ማይክሮን ጥራት ላይ አስተማማኝ የጎራ ንድፍ መስራት ለኦፕቲክስ ላልተስተካከለ መስመር በጣም አስፈላጊ ነው ነገር ግን በLNOI መድረክ ላይ ያልበሰለ ቴክኖሎጂ ሆኖ ቀጥሏል።

ሰ) የማምረቻ ጉድለቶች ካሳ
በአካባቢ ለውጦች ወይም በማምረቻ ልዩነቶች ምክንያት የሚከሰቱ የደረጃ ለውጦችን ለመቀነስ የሚረዱ ቴክኒኮች ለእውነተኛው ዓለም አተገባበር አስፈላጊ ናቸው።

ሸ) ቀልጣፋ ባለብዙ-ቺፕ ማያያዣ
ከአንድ-ዋፈር ውህደት ገደቦች በላይ ለመለካት በበርካታ የLNOI ቺፖች መካከል ውጤታማ የሆነ ትስስር መፍታት አስፈላጊ ነው።

የንቁ እና ተገብሮ ክፍሎች ሞኖሊቲክ ውህደት

ለLNOI PICs ዋነኛው ፈተና የሚከተሉትን የመሳሰሉ ንቁ እና ተገብሮ ክፍሎችን ወጪ ቆጣቢ የሆነ ሞኖሊቲክ ውህደት ነው፡

• ሌዘር
• መመርመሪያዎች
• መስመራዊ ያልሆኑ የሞገድ ርዝመት መቀየሪያዎች
• ሞዱላተሮች
• መልቲፕሌክሰሮች/ዲሚልቲፕሌክሰሮች

የአሁኑ ስትራቴጂዎች የሚከተሉትን ያካትታሉ:

ሀ) የLNOI አዮን ዶፒንግ፡
ንቁ አዮኖችን ወደተወሰኑ ክልሎች መርጦ መውሰድ ወደ ቺፕ ብርሃን ምንጮች ሊያመራ ይችላል።

ለ) ትስስር እና የተለያዩ ውህደት፡
አስቀድሞ የተሰሩ ፓስፊክ LNOI PICsን በዶፕድድድድ LNOI ንብርብሮች ወይም III-V ሌዘር ማያያዝ አማራጭ መንገድ ይሰጣል።

ሐ) የተቀላቀለ አክቲቭ/ፓሲቭ ኤልኖአይ ዋፈር ማምረቻ፡
አዲስ አቀራረብ አዮን ከመቁረጥ በፊት የተከተፉ እና ያልተነኩ የLN ዋፈሮችን ማያያዝን ያካትታል፣ ይህም የLNOI ዋፈሮችን ከንቁ እና ከማይንቀሳቀሱ ክልሎች ጋር ያስከትላል።

ምስል 1የተቀላቀለ የተቀናጁ አክቲቭ/ፓሲቭ ፒክሰሎችን ጽንሰ-ሀሳብ ያሳያል፣ አንድ ነጠላ ሊቶግራፊክ ሂደት የሁለቱም አይነት ክፍሎች እንከን የለሽ አሰላለፍ እና ውህደትን ያስችላል።

የፎቶ መመርመሪያዎች ውህደት

የፎቶ መመርመሪያዎችን በLNOI ላይ በተመሰረቱ PICs ውስጥ ማዋሃድ ሙሉ በሙሉ ተግባራዊ ወደሆኑ ስርዓቶች የሚወስድ ሌላ ወሳኝ እርምጃ ነው። ሁለት ዋና ዋና አቀራረቦች በምርመራ ላይ ናቸው፡

ሀ) የተለያዩ ውህደት፡
የሴሚኮንዳክተር ናኖስትራክቸሮች ከLNOI ሞገድ መመሪያዎች ጋር ለጊዜው ሊጣመሩ ይችላሉ። ሆኖም ግን፣ በመለየት ቅልጥፍና እና በመለጠጥ ረገድ አሁንም መሻሻል ያስፈልጋል።

ለ) መስመራዊ ያልሆነ የሞገድ ርዝመት ልወጣ፡
የኤልኤን መስመራዊ ያልሆኑ ባህሪያት በሞገድ መመሪያዎች ውስጥ የድግግሞሽ ልወጣን ይፈቅዳሉ፣ ይህም የአሠራር የሞገድ ርዝመት ምንም ይሁን ምን መደበኛ የሲሊኮን ፎቶዲቴክተሮችን መጠቀም ያስችላል።

መደምደሚያ

የLNOI ቴክኖሎጂ ፈጣን እድገት ኢንዱስትሪውን ሰፋ ያለ አፕሊኬሽኖችን ማገልገል ወደሚችል ሁለንተናዊ የPIC መድረክ ያቀራርበዋል። አሁን ያሉትን ተግዳሮቶች በመፍታት እና በሞኖሊቲክ እና በዲቴክተር ውህደት ውስጥ ፈጠራዎችን ወደፊት በማራመድ፣ በLNOI ላይ የተመሰረቱ PICs እንደ ቴሌኮሙኒኬሽን፣ ኳንተም መረጃ እና የስሜት ህዋሳት ያሉ መስኮችን አብዮታዊ ለማድረግ አቅም አላቸው።

LNOI ለረጅም ጊዜ የቆየውን ሊሰፋ የሚችል PICs ራዕይ ለማሳካት ቃል ገብቷል፣ ይህም የEICs ስኬት እና ተፅእኖን ለማዛመድ ነው። እንደ ናንጂንግ ፎቶኒክስ ፕሮሰስ ፕላትፎርም እና ዢያዮቴክኖሎጂ ዲዛይን ፕላትፎርም ያሉ ቀጣይ የምርምር እና ልማት ጥረቶች የተቀናጁ ፎቶኒክስን የወደፊት ሁኔታ በመቅረጽ እና በቴክኖሎጂ ዘርፎች አዳዲስ እድሎችን በመክፈት ረገድ ወሳኝ ሚና ይጫወታሉ።