نېپىز پەردە لىتىي نىئوبات ماتېرىيالى ۋە نېپىز پەردە لىتىي نىئوبات مودۇلياتورى

مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسىدا نېپىز پەردە لىتىي نىئوباتىنىڭ ئەۋزەللىكى ۋە ئەھمىيىتى

مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسىچوڭ خىزمەت بەلۋاغ كەڭلىكى، كۈچلۈك پاراللېل بىر تەرەپ قىلىش ئىقتىدارى ۋە تۆۋەن يەتكۈزۈش زىيىنى قاتارلىق ئەۋزەللىكلەرگە ئىگە بولۇپ، ئەنئەنىۋى مىكرو دولقۇن سىستېمىسىنىڭ تېخنىكىلىق توسالغۇسىنى بۇزۇپ تاشلاپ، رادار، ئېلېكترونلۇق ئۇرۇش، ئالاقە ۋە ئۆلچەش-كونترول قاتارلىق ھەربىي ئېلېكترونلۇق ئۇچۇر ئۈسكۈنىلىرىنىڭ ئىقتىدارىنى ياخشىلاش ئىقتىدارىغا ئىگە. قانداقلا بولمىسۇن، ئايرىم ئۈسكۈنىلەرگە ئاساسلانغان مىكرو دولقۇنلۇق فوتون سىستېمىسىدا چوڭ ھەجىم، ئېغىرلىق ۋە مۇقىملىقنىڭ ناچارلىقى قاتارلىق مەسىلىلەر بار بولۇپ، بۇلار مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسىنىڭ ئالەم بوشلۇقى ۋە ھاۋا بوشلۇقى سۇپىلىرىدا قوللىنىلىشىنى ئېغىر دەرىجىدە چەكلەيدۇ. شۇڭا، بىر گەۋدىلەشكەن مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسى ھەربىي ئېلېكترونلۇق ئۇچۇر سىستېمىسىدا مىكرو دولقۇنلۇق فوتوننىڭ قوللىنىلىشىنى بۇزۇپ تاشلاپ، مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسىنىڭ ئەۋزەللىكلىرىنى تولۇق جارى قىلدۇرۇشتا مۇھىم تىرەككە ئايلىنىۋاتىدۇ.

ھازىر، SI ئاساسلىق فوتون بىرلەشتۈرۈش تېخنىكىسى ۋە INP ئاساسلىق فوتون بىرلەشتۈرۈش تېخنىكىسى ئوپتىكىلىق ئالاقە ساھەسىدە نەچچە يىللىق تەرەققىياتتىن كېيىن بارغانسېرى پىشىپ يېتىلدى، نۇرغۇن مەھسۇلاتلار بازارغا سېلىندى. قانداقلا بولمىسۇن، مىكرو دولقۇنلۇق فوتوننى قوللىنىش ئۈچۈن، بۇ ئىككى خىل فوتون بىرلەشتۈرۈش تېخنىكىسىدا بەزى مەسىلىلەر مەۋجۇت: مەسىلەن، Si مودۇلياتورى ۋە InP مودۇلياتورىنىڭ سىزىقسىز ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق كوئېففىتسېنتى مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسىنىڭ يۇقىرى سىزىقلىقلىقى ۋە چوڭ دىنامىك خۇسۇسىيىتىگە زىت؛ مەسىلەن، ئىسسىقلىق-ئوپتىكىلىق ئېففېكت، پىيېزوئېلېكتر ئېففېكتى ياكى توشۇغۇچى ئوكۇل تارقىتىش ئېففېكتى ئاساسىدا ئوپتىكىلىق يول ئالماشتۇرۇشنى ئەمەلگە ئاشۇرىدىغان كرېمنىي ئوپتىكىلىق ئالماشتۇرغۇچنىڭ ئالماشتۇرۇش سۈرئىتى ئاستا، توك سەرپىياتى ۋە ئىسسىقلىق سەرپىياتى قاتارلىق مەسىلىلەر بار، بۇلار تېز نۇر سىكانىرلاش ۋە چوڭ تىپتىكى مىكرو دولقۇنلۇق فوتون قوللىنىشلىرىغا ماس كەلمەيدۇ.

لىتىي نىئوبات ھەمىشە يۇقىرى سۈرئەتلىك ئېنېرگىيە ئۈچۈن بىرىنچى تاللاش بولۇپ كەلگەنئېلېكترو-ئوپتىكىلىق مودۇلياتسىيەچۈنكى ئۇنىڭ ئېسىل سىزىقلىق ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق ئۈنۈمى بار. قانداقلا بولمىسۇن، ئەنئەنىۋى لىتىي نىئوباتئېلېكترو-ئوپتىكىلىق مودۇلياتوربۇ ئۈسكۈنە غايەت زور مىقداردىكى لىتىي نىئوبات كىرىستال ماتېرىيالىدىن ياسالغان بولۇپ، ئۈسكۈنىنىڭ چوڭلۇقى ناھايىتى چوڭ، بۇ مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسىنىڭ ئېھتىياجىنى قاندۇرالمايدۇ. سىزىقلىق ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق كوئېففىتسېنتى بار لىتىي نىئوبات ماتېرىياللىرىنى مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسى سىستېمىسىغا قانداق بىرلەشتۈرۈش ئالاقىدار تەتقىقاتچىلارنىڭ نىشانىغا ئايلاندى. 2018-يىلى، ئامېرىكىدىكى خارۋارد ئۇنىۋېرسىتېتىنىڭ تەتقىقات گۇرۇپپىسى تۇنجى قېتىم «تەبىئەت» ناملىق كىتابتا نېپىز پەردە لىتىي نىئوباتقا ئاساسلانغان فوتون بىرلەشتۈرۈش تېخنىكىسىنى دوكلات قىلدى، چۈنكى بۇ تېخنىكا يۇقىرى بىرلەشتۈرۈش، چوڭ ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق مودۇلياتسىيە بەلباغ كەڭلىكى ۋە يۇقىرى سىزىقلىق ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق ئۈنۈم قاتارلىق ئەۋزەللىكلەرگە ئىگە. بۇ تېخنىكا يولغا قويۇلغاندىن كېيىن، دەرھال فوتون بىرلەشتۈرۈش ۋە مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسى ساھەسىدىكى ئاكادېمىك ۋە سانائەت ساھەسىنىڭ دىققىتىنى قوزغىدى. مىكرو دولقۇنلۇق فوتون قوللىنىش نۇقتىسىدىن قارىغاندا، بۇ ماقالە نېپىز پەردە لىتىي نىئوباتقا ئاساسلانغان فوتون بىرلەشتۈرۈش تېخنىكىسىنىڭ مىكرو دولقۇنلۇق فوتون تېخنىكىسىنىڭ تەرەققىياتىغا بولغان تەسىرى ۋە ئەھمىيىتىنى تەكشۈرىدۇ.

نېپىز پەردە لىتىي نىئوبات ماتېرىيالى ۋە نېپىز پەردەلىتىي نىئوبات مودۇلياتورى
يېقىنقى ئىككى يىلدا، يېڭى بىر خىل لىتىي نىئوبات ماتېرىيالى پەيدا بولدى، يەنى لىتىي نىئوبات پەردىسى «ئىئون كېسىش» ئۇسۇلى ئارقىلىق چوڭ تىپتىكى لىتىي نىئوبات كىرىستالىدىن چىقىرىۋېتىلىپ، كرېمنىي بۇففېر قەۋىتى بىلەن Si ۋافېرىغا چاپلىنىپ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) ماتېرىيالىنى ھاسىل قىلىدۇ [5]، بۇ ماقالىدە نېپىز پەردە لىتىي نىئوبات ماتېرىيالى دەپ ئاتىلىدۇ. ئېگىزلىكى 100 نانومېتىردىن ئاشىدىغان تاغ تىزمىلىرى قۇرۇق ئويۇش جەريانى ئارقىلىق نېپىز پەردە لىتىي نىئوبات ماتېرىياللىرىغا ئويۇلىدۇ، ھەمدە ھاسىل بولغان دولقۇن يېتەكلىگۈچلىرىنىڭ ئۈنۈملۈك سىنىش كۆرسەتكۈچى پەرقى 0.8 دىن ئېشىپ كېتىدۇ (ئەنئەنىۋى لىتىي نىئوبات دولقۇن يېتەكلىگۈچلىرىنىڭ 0.02 سىنىش كۆرسەتكۈچى پەرقىدىن خېلىلا يۇقىرى)، 1-رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك. كۈچلۈك چەكلەنگەن دولقۇن يېتەكلىگۈچ مودۇلياتورنى لايىھىلىگەندە يورۇقلۇق مەيدانىنى مىكرو دولقۇن مەيدانى بىلەن ماسلاشتۇرۇشنى ئاسانلاشتۇرىدۇ. شۇڭا، قىسقا ئۇزۇنلۇقتا تۆۋەن يېرىم دولقۇن توك بېسىمى ۋە چوڭراق مودۇلياتسىيە بەلبېغىغا ئېرىشىش پايدىلىق.

تۆۋەن زىيانلىق لىتىي نىئوبات سۇبمىكرون دولقۇن يېتەكلىگۈچنىڭ پەيدا بولۇشى ئەنئەنىۋى لىتىي نىئوبات ئېلېكترو-ئوپتىك مودۇلياتورىنىڭ يۇقىرى ھەيدەش توك بېسىمىنىڭ توسالغۇسىنى بۇزۇپ تاشلىدى. ئېلېكترود ئارىلىقىنى ~ 5 μm غىچە قىسقارتقىلى بولىدۇ، ئېلېكتر مەيدانى بىلەن ئوپتىك ھالەت مەيدانىنىڭ قاپلىنىشى زور دەرىجىدە ئاشىدۇ، ھەمدە vπ ·L 20 V·cm دىن 2.8 V·cm دىن تۆۋەنگە چۈشىدۇ. شۇڭلاشقا، ئوخشاش يېرىم دولقۇن توك بېسىمى ئاستىدا، ئۈسكۈنە ئۇزۇنلۇقىنى ئەنئەنىۋى مودۇلياتورغا سېلىشتۇرغاندا زور دەرىجىدە قىسقارتقىلى بولىدۇ. شۇنىڭ بىلەن بىر ۋاقىتتا، رەسىمدە كۆرسىتىلگەندەك، ھەرىكەت دولقۇنى ئېلېكترودىنىڭ كەڭلىكى، قېلىنلىقى ۋە ئارىلىقى پارامېتىرلىرىنى ئەلالاشتۇرغاندىن كېيىن، مودۇلياتور 100 GHz دىن يۇقىرى ئۇلترا يۇقىرى مودۇلياتسىيە بەلباغ كەڭلىكىگە ئىگە بولالايدۇ.

1-رەسىم (a) ھېسابلانغان مودا تەقسىملىنىشى ۋە LN دولقۇن يېتەكلىگۈچنىڭ كېسىشمە يۈزىنىڭ (b) رەسىمى

2-رەسىم (a) دولقۇن يېتەكلىگۈچ ۋە ئېلېكترود قۇرۇلمىسى ۋە LN مودۇلياتورىنىڭ (b) يادرولۇق تاختىسى

نېپىز پەردە لىتىي نىئوبات مودۇلياتورلىرىنى ئەنئەنىۋى لىتىي نىئوبات سودا مودۇلياتورلىرى، كرېمنىي ئاساسلىق مودۇلياتورلار ۋە ئىندىي فوسفىد (InP) مودۇلياتورلىرى ۋە باشقا مەۋجۇت يۇقىرى سۈرئەتلىك ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق مودۇلياتورلار بىلەن سېلىشتۇرۇشتا، سېلىشتۇرۇشنىڭ ئاساسلىق پارامېتىرلىرى تۆۋەندىكىلەرنى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ:
(1) يېرىم دولقۇن ۋولت ئۇزۇنلۇقىدىكى كۆپەيتىلگەن مىقدار (vπ ·L, V·cm)، مودۇلياتورنىڭ مودۇلياتسىيە ئۈنۈمىنى ئۆلچەيدۇ، قىممەت قانچە كىچىك بولسا، مودۇلياتسىيە ئۈنۈمى شۇنچە يۇقىرى بولىدۇ؛
(2) 3 dB مودۇلياتسىيە بەلبېغى (GHz)، بۇ مودۇلياتورنىڭ يۇقىرى چاستوتىلىق مودۇلياتسىيەگە بولغان ئىنكاسىنى ئۆلچەيدۇ؛
(3) مودۇلياتسىيە رايونىدىكى ئوپتىكىلىق كىرگۈزۈش زىيىنى (dB). جەدۋەلدىن كۆرۈۋېلىشقا بولىدۇكى، نېپىز پەردە لىتىي نىئوبات مودۇلياتورى مودۇلياتسىيە بەلباغ كەڭلىكى، يېرىم دولقۇنلۇق توك بېسىمى، ئوپتىكىلىق ئىنتېرپولياتسىيە زىيىنى قاتارلىق جەھەتلەردە روشەن ئەۋزەللىكلەرگە ئىگە.

كرېمنىي، بىر گەۋدىلەشكەن ئوپتوئېلېكتروننىڭ ئاساسى بولۇش سۈپىتى بىلەن، ھازىرغىچە تەرەققىي قىلدۇرۇلدى، بۇ جەريان پىشىپ يېتىلدى، ئۇنىڭ كىچىكلىتىلىشى ئاكتىپ/پاسسىپ ئۈسكۈنىلەرنى كەڭ كۆلەمدە بىرلەشتۈرۈشكە پايدىلىق، ھەمدە ئۇنىڭ مودۇلياتورى ئوپتىكىلىق ئالاقە ساھەسىدە كەڭ كۆلەمدە ۋە چوڭقۇر تەتقىق قىلىندى. كرېمنىينىڭ ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق مودۇلياتسىيە مېخانىزمى ئاساسلىقى توشۇغۇچىنىڭ چېكىنىشى، توشۇغۇچىنى كىرگۈزۈش ۋە توشۇغۇچىنىڭ توپلىنىشىدىن ئىبارەت. بۇلارنىڭ ئىچىدە، مودۇلياتورنىڭ بەلۋاغ كەڭلىكى سىزىقلىق دەرىجىدىكى توشۇغۇچىنىڭ چېكىنىش مېخانىزمى بىلەن ئەڭ ياخشى، ئەمما ئوپتىكىلىق مەيداننىڭ تارقىلىشى چېكىنىش رايونىنىڭ بىردەك ئەمەسلىكى بىلەن قاپلىشىپ كەتكەچكە، بۇ تەسىر سىزىقسىز ئىككىنچى دەرىجىلىك بۇرمىلىنىش ۋە ئۈچىنچى دەرىجىلىك ئۆز-ئارا مودۇلياتسىيە بۇرمىلىنىش شەرتلىرىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ، شۇنداقلا توشۇغۇچىنىڭ نۇرغا يۇتۇش تەسىرى بىلەن بىرلىشىپ، ئوپتىكىلىق مودۇلياتسىيە ئامپلىتۇدىسى ۋە سىگنال بۇرمىلىنىشىنىڭ تۆۋەنلىشىنى كەلتۈرۈپ چىقىرىدۇ.

InP مودۇلياتورىنىڭ ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق ئۈنۈمى كۆرۈنەرلىك، كۆپ قەۋەتلىك كۋانت قۇدۇق قۇرۇلمىسى Vπ·L نى 0.156V·mm غىچە بولغان ئۇلترا يۇقىرى سۈرئەتلىك ۋە تۆۋەن ھەيدەش توك بېسىمى مودۇلياتورلىرىنى ئەمەلگە ئاشۇرالايدۇ. قانداقلا بولمىسۇن، ئېلېكتر مەيدانى بىلەن بولغان سىنىش كۆرسەتكۈچىنىڭ ئۆزگىرىشى سىزىقلىق ۋە سىزىقسىز ئاتالغۇلارنى ئۆز ئىچىگە ئالىدۇ، ئېلېكتر مەيدانى كۈچلۈكلۈكىنىڭ ئېشىشى ئىككىنچى دەرىجىلىك ئۈنۈمنى كۆرۈنەرلىك قىلىدۇ. شۇڭا، كرېمنىي ۋە InP ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق مودۇلياتورلىرى ئىشلىگەندە pn تۇتاشتۇرۇش ھاسىل قىلىش ئۈچۈن يانتۇلۇق قوللىنىشى كېرەك، pn تۇتاشتۇرۇش نۇرغا يۇتۇش زىيىنىنى ئېلىپ كېلىدۇ. قانداقلا بولمىسۇن، بۇ ئىككىسىنىڭ مودۇلياتور چوڭلۇقى كىچىك، سودا InP مودۇلياتورىنىڭ چوڭلۇقى LN مودۇلياتورىنىڭ 1/4 قىسمى. يۇقىرى مودۇلياتسىيە ئۈنۈمى، سانلىق مەلۇمات مەركىزى قاتارلىق يۇقىرى زىچلىقتىكى ۋە قىسقا مۇساپىلىك رەقەملىك ئوپتىكىلىق يەتكۈزۈش تورىغا ماس كېلىدۇ. لىتىي نىئوباتنىڭ ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق ئۈنۈمى نۇر يۇتۇش مېخانىزمىغا ئىگە ئەمەس ۋە يوقىتىشى تۆۋەن، بۇ ئۇزۇن مۇساپىلىك ماسلىشىشقا ماس كېلىدۇ.ئوپتىكىلىق ئالاقەچوڭ سىغىم ۋە يۇقىرى سۈرئەت بىلەن. مىكرو دولقۇنلۇق فوتون قوللىنىشىدا، Si ۋە InP نىڭ ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق كوئېففىتسېنتى سىزىقسىز بولۇپ، بۇ يۇقىرى سىزىقلىق ۋە چوڭ دىنامىكىنى قوغلىشىدىغان مىكرو دولقۇنلۇق فوتون سىستېمىسىغا ماس كەلمەيدۇ. لىتىي نىئوبات ماتېرىيالى پۈتۈنلەي سىزىقلىق ئېلېكترو-ئوپتىكىلىق مودۇلياتسىيە كوئېففىتسېنتى سەۋەبىدىن مىكرو دولقۇنلۇق فوتون قوللىنىشىغا ناھايىتى ماس كېلىدۇ.