ပါးလွှာသောဖလင်လီသီယမ်နီယိုဘိတ်ပစ္စည်းနှင့် ပါးလွှာသောဖလင်လီသီယမ်နီယိုဘိတ်ပြုပြင်ပစ္စည်း

ပေါင်းစပ်မိုက်ခရိုဝေ့ဖ်ဖိုတွန်နည်းပညာတွင် ပါးလွှာသောဖလင်လီသီယမ်နီယိုဘိတ်၏ အားသာချက်များနှင့် အရေးပါမှု

မိုက်ခရိုဝေ့ဖ် ဖိုတွန်နည်းပညာအလုပ်လုပ်နိုင်သော bandwidth ကြီးမားခြင်း၊ parallel processing စွမ်းရည်မြင့်မားခြင်းနှင့် transmission loss နည်းပါးခြင်းစသည့် အားသာချက်များရှိပြီး ရိုးရာမိုက်ခရိုဝေ့စနစ်၏ နည်းပညာဆိုင်ရာ အတားအဆီးများကို ချိုးဖျက်နိုင်ပြီး ရေဒါ၊ အီလက်ထရွန်းနစ်စစ်ပွဲ၊ ဆက်သွယ်ရေးနှင့် တိုင်းတာခြင်းနှင့် ထိန်းချုပ်ခြင်းကဲ့သို့သော စစ်ဘက်ဆိုင်ရာ အီလက်ထရွန်းနစ် သတင်းအချက်အလက် ပစ္စည်းကိရိယာများ၏ စွမ်းဆောင်ရည်ကို တိုးတက်ကောင်းမွန်စေနိုင်သည်။ သို့သော်၊ discrete devices များကို အခြေခံထားသော မိုက်ခရိုဝေ့ဖိုတွန်စနစ်တွင် ထုထည်ကြီးမားခြင်း၊ အလေးချိန်လေးလံခြင်းနှင့် တည်ငြိမ်မှုညံ့ဖျင်းခြင်းကဲ့သို့သော ပြဿနာအချို့ရှိပြီး အာကာသနှင့် လေကြောင်းပလက်ဖောင်းများတွင် မိုက်ခရိုဝေ့ဖိုတွန်နည်းပညာအသုံးချမှုကို ပြင်းထန်စွာ ကန့်သတ်ထားသည်။ ထို့ကြောင့် integrated microwave photon နည်းပညာသည် စစ်ဘက်ဆိုင်ရာ အီလက်ထရွန်းနစ် သတင်းအချက်အလက်စနစ်တွင် မိုက်ခရိုဝေ့ဖိုတွန်အသုံးချမှုကို ချိုးဖျက်ရန်နှင့် မိုက်ခရိုဝေ့ဖိုတွန်နည်းပညာ၏ အားသာချက်များကို အပြည့်အဝအသုံးချရန် အရေးကြီးသော အထောက်အပံ့တစ်ခု ဖြစ်လာနေသည်။

လက်ရှိတွင်၊ SI-based photonic integration နည်းပညာနှင့် INP-based photonic integration နည်းပညာတို့သည် optical communication နယ်ပယ်တွင် နှစ်ပေါင်းများစွာ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်လာပြီးနောက် ပိုမိုရင့်ကျက်လာပြီး ထုတ်ကုန်များစွာကို ဈေးကွက်ထဲသို့ ထည့်သွင်းလာကြသည်။ သို့သော် microwave photon ကို အသုံးချရန်အတွက် ဤ photon integration နည်းပညာနှစ်မျိုးတွင် ပြဿနာအချို့ရှိသည်- ဥပမာအားဖြင့်၊ Si modulator နှင့် InP modulator ၏ nonlinear electro-optical coefficient သည် microwave photon နည်းပညာမှ လိုက်စားသော မြင့်မားသော linearity နှင့် large dynamic characteristics များနှင့် ဆန့်ကျင်ဘက်ဖြစ်သည်။ ဥပမာအားဖြင့်၊ thermal-optical effect၊ piezoelectric effect သို့မဟုတ် carrier injection dispersion effect ပေါ်တွင် အခြေခံ၍ optical path switching ကို အကောင်အထည်ဖော်သည့် silicon optical switch တွင် switching speed နှေးကွေးခြင်း၊ power consumption နှင့် heat consumption ပြဿနာများရှိပြီး fast beam scanning နှင့် large array scale microwave photon applications များနှင့် မကိုက်ညီပါ။

လီသီယမ် နိုင်အိုဘိတ်သည် မြန်နှုန်းမြင့်အတွက် အမြဲတမ်း ပထမဦးစားပေးရွေးချယ်မှုဖြစ်ခဲ့သည်။အီလက်ထရို-အော့ပတစ် မော်ဂျူးရှင်း၎င်း၏ အလွန်ကောင်းမွန်သော linear electro-optic effect ကြောင့် ပစ္စည်းများကို အသုံးပြုနိုင်ပါသည်။ သို့သော် ရိုးရာ lithium niobateအီလက်ထရို-အော့ပတစ် မော်ဂျူလာကြီးမားသော လီသီယမ် နီယိုဘိတ် ပုံဆောင်ခဲပစ္စည်းဖြင့် ပြုလုပ်ထားပြီး ကိရိယာအရွယ်အစား အလွန်ကြီးမားသောကြောင့် ပေါင်းစပ်ထားသော မိုက်ခရိုဝေ့ဖ် ဖိုတွန်နည်းပညာ၏ လိုအပ်ချက်များကို ဖြည့်ဆည်းပေးနိုင်ခြင်း မရှိပါ။ လီသီယမ် နီယိုဘိတ်ပစ္စည်းများကို ပေါင်းစပ်ထားသော မိုက်ခရိုဝေ့ဖ် ဖိုတွန်နည်းပညာစနစ်ထဲသို့ လိုင်းယင့် အီလက်ထရို-အော့ပတစ် ကိန်းဖြင့် မည်သို့ပေါင်းစပ်ရမည်ဆိုသည်မှာ သက်ဆိုင်ရာ သုတေသီများ၏ ရည်မှန်းချက် ဖြစ်လာခဲ့သည်။ ၂၀၁၈ ခုနှစ်တွင် အမေရိကန်ပြည်ထောင်စုရှိ ဟားဗတ်တက္ကသိုလ်မှ သုတေသနအဖွဲ့တစ်ဖွဲ့သည် ပါးလွှာသော ဖလင် လီသီယမ် နီယိုဘိတ်ကို အခြေခံသည့် ဖိုတွန်ပေါင်းစပ်နည်းပညာကို Nature တွင် ပထမဆုံး အစီရင်ခံတင်ပြခဲ့သည်။ အဘယ်ကြောင့်ဆိုသော် နည်းပညာတွင် မြင့်မားသော ပေါင်းစပ်မှု၊ ကြီးမားသော အီလက်ထရို-အော့ပတစ် မော်ဂျူလာ ဘွိုက် နှင့် မြင့်မားသော အီလက်ထရို-အော့ပတစ် အာနိသင်တို့ ရှိသည့် အားသာချက်များ ရှိသောကြောင့် ဖြစ်သည်။ စတင်မိတ်ဆက်ပြီးသည်နှင့် ဖိုတွန်ပေါင်းစပ်မှုနှင့် မိုက်ခရိုဝေ့ဖ် ဖိုတွန်နယ်ပယ်တွင် ပညာရေးနှင့် စက်မှုလုပ်ငန်းဆိုင်ရာ အာရုံစိုက်မှုကို ချက်ချင်း ဖြစ်ပေါ်စေခဲ့သည်။ မိုက်ခရိုဝေ့ဖ် ဖိုတွန်အသုံးချမှု၏ ရှုထောင့်မှကြည့်လျှင် ဤစာတမ်းသည် ပါးလွှာသော ဖလင် လီသီယမ် နီယိုဘိတ်ကို အခြေခံသည့် ဖိုတွန်ပေါင်းစပ်နည်းပညာ၏ မိုက်ခရိုဝေ့ဖ် ဖိုတွန်နည်းပညာ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်မှုအပေါ် လွှမ်းမိုးမှုနှင့် အရေးပါမှုကို ပြန်လည်သုံးသပ်ထားသည်။

ပါးလွှာသောဖလင်လီသီယမ်နိုက်ဘိတ်ပစ္စည်းနှင့်ပါးလွှာသောဖလင်လီသီယမ် နိုင်အိုဘိတ် မော်ဂျူလာ
မကြာသေးမီနှစ်နှစ်အတွင်း လီသီယမ် နီယိုဘိတ် ပစ္စည်းအမျိုးအစားအသစ်တစ်မျိုး ပေါ်ထွက်လာခဲ့ပြီး ဆိုလိုသည်မှာ လီသီယမ် နီယိုဘိတ် ဖလင်ကို “ion slicing” နည်းလမ်းဖြင့် ကြီးမားသော လီသီယမ် နီယိုဘိတ် ပုံဆောင်ခဲမှ ခွာထုတ်ပြီး ဆီလီကာ ဘာဖာအလွှာဖြင့် Si wafer နှင့် ချိတ်ဆက်ကာ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) ပစ္စည်း [5] ကို ဖွဲ့စည်းပေးပြီး ဤစာတမ်းတွင် thin film လီသီယမ် နီယိုဘိတ် ပစ္စည်းဟုခေါ်သည်။ 100 nanometers ထက်ပိုသော အမြင့်ရှိသော Ridge waveguides များကို thin film လီသီယမ် နီယိုဘိတ် ပစ္စည်းများတွင် အကောင်းဆုံးခြောက်သွေ့စွာ ထွင်းထုနိုင်ပြီး ဖွဲ့စည်းထားသော waveguides များ၏ ထိရောက်သော refractive index ကွာခြားချက်သည် ပုံ ၁ တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း 0.8 ထက်ပို၍ (ရိုးရာ လီသီယမ် နီယိုဘိတ် waveguides များ၏ refractive index ကွာခြားချက် 0.02 ထက် များစွာပိုမိုမြင့်မားသည်) ရောက်ရှိနိုင်သည်။ ပြင်းထန်စွာ ကန့်သတ်ထားသော waveguide သည် modulator ကို ဒီဇိုင်းဆွဲသောအခါ အလင်းစက်ကွင်းနှင့် မိုက်ခရိုဝေ့ဖ်စက်ကွင်းကို ပိုမိုလွယ်ကူစွာ ကိုက်ညီစေသည်။ ထို့ကြောင့်၊ အတိုအရှည်တွင် half-wave voltage နိမ့်ခြင်းနှင့် modulation bandwidth ပိုများခြင်းတို့ကို ရရှိရန် အကျိုးရှိသည်။

ဆုံးရှုံးမှုနည်းသော လီသီယမ် နီယိုဘိတ် ဆပ်မိုက်ခရွန် လှိုင်းလမ်းညွှန် ပေါ်လာခြင်းသည် ရိုးရာ လီသီယမ် နီယိုဘိတ် အီလက်ထရို-အော့ပ်တစ် မော်တာ၏ မြင့်မားသော မောင်းနှင်အား ဗို့အား၏ ပိတ်ဆို့နေသော လည်ပင်းကို ချိုးဖျက်ပေးသည်။ လျှပ်ကူးပစ္စည်း အကွာအဝေးကို ~ 5 μm အထိ လျှော့ချနိုင်ပြီး လျှပ်စစ်စက်ကွင်းနှင့် အလင်းတန်းပုံစံ စက်ကွင်းအကြား ထပ်တူကျမှုကို များစွာ တိုးမြှင့်ပေးပြီး vπ ·L သည် 20 V·cm ထက် ကျော်လွန်၍ 2.8 V·cm အောက်သို့ လျော့ကျသွားသည်။ ထို့ကြောင့် တူညီသော တစ်ဝက်လှိုင်းဗို့အားအောက်တွင် ရိုးရာ မော်တာနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက ကိရိယာ၏ အရှည်ကို များစွာ လျှော့ချနိုင်သည်။ တစ်ချိန်တည်းမှာပင်၊ ပုံတွင်ပြထားသည့်အတိုင်း ခရီးသွားလှိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း၏ အနံ၊ အထူနှင့် အကွာအဝေး၏ ကန့်သတ်ချက်များကို အကောင်းဆုံးဖြစ်အောင် ပြုလုပ်ပြီးနောက် မော်တာသည် 100 GHz ထက် ပိုမိုမြင့်မားသော အလွန်မြင့်မားသော မော်လီကျူး ဘန်းဝစ်ချ်ကို ပေးစွမ်းနိုင်သည်။

ပုံ ၁ (က) တွက်ချက်ထားသော mode distribution နှင့် LN waveguide ၏ cross-section ၏ (ခ) ပုံ

ပုံ ၂ (က) LN မော်တာ၏ လှိုင်းလမ်းညွှန်နှင့် အီလက်ထရုတ်ဖွဲ့စည်းပုံနှင့် (ခ) ဗဟိုပြား

ရိုးရာလီသီယမ်နီယိုဘိတ်စီးပွားဖြစ်မော်ဂျူလာများ၊ ဆီလီကွန်အခြေခံမော်ဂျူလာများနှင့် အင်ဒီယမ်ဖော့စဖိုက် (InP) မော်ဂျူလာများနှင့် အခြားရှိပြီးသား မြန်နှုန်းမြင့်လျှပ်စစ်အလင်းမော်ဂျူလာများနှင့် ပါးလွှာသောဖလင်လီသီယမ်နီယိုဘိတ်မော်ဂျူလာများကို နှိုင်းယှဉ်ကြည့်လျှင်၊ နှိုင်းယှဉ်မှု၏ အဓိကကန့်သတ်ချက်များမှာ-
(1) တစ်ဝက်လှိုင်းဗို့အားအလျားမြှောက်လဒ် (vπ ·L, V·cm)၊ modulator ၏ modulation efficiency ကိုတိုင်းတာခြင်း၊ တန်ဖိုးနည်းလေ modulation efficiency မြင့်လေဖြစ်သည်။
(2) 3 dB modulation bandwidth (GHz)၊ ၎င်းသည် modulator ၏ မြင့်မားသောကြိမ်နှုန်း modulation အပေါ် တုံ့ပြန်မှုကို တိုင်းတာသည်။
(၃) မော်ဂျူလာဧရိယာတွင် အလင်းထည့်သွင်းမှုဆုံးရှုံးမှု (dB)။ ဇယားမှကြည့်လျှင် thin film lithium niobate modulator သည် မော်ဂျူလာ ဘޯဒယ်လ်တင်း bandwidth၊ half-wave voltage၊ optical interpolation loss စသည်တို့တွင် ထင်ရှားသော အားသာချက်များရှိကြောင်း မြင်တွေ့နိုင်သည်။

ပေါင်းစပ် optoelectronics ၏ အုတ်မြစ်ဖြစ်သော ဆီလီကွန်ကို ယခုအချိန်အထိ တီထွင်ခဲ့ပြီးဖြစ်ပြီး၊ လုပ်ငန်းစဉ်သည် ရင့်ကျက်ပြီး ၎င်း၏ သေးငယ်ခြင်းသည် active/passive devices များ၏ ကြီးမားသော ပေါင်းစပ်မှုအတွက် အထောက်အကူဖြစ်စေပြီး ၎င်း၏ modulator ကို optical communication နယ်ပယ်တွင် ကျယ်ကျယ်ပြန့်ပြန့်နှင့် နက်ရှိုင်းစွာ လေ့လာထားပြီးဖြစ်သည်။ ဆီလီကွန်၏ electro-optical modulation ယန္တရားမှာ အဓိကအားဖြင့် carrier depling-tion၊ carrier injection နှင့် carrier accumulation တို့ဖြစ်သည်။ ၎င်းတို့တွင် modulator ၏ bandwidth သည် linear degree carrier depletion ယန္တရားဖြင့် အကောင်းဆုံးဖြစ်သော်လည်း optical field distribution သည် depletion region ၏ non-uniformity နှင့် ထပ်တူကျနေသောကြောင့် ဤအကျိုးသက်ရောက်မှုသည် nonlinear second-order distortion နှင့် third-order intermodulation distortion term များကို ဖြစ်ပေါ်စေပြီး carrier ၏ absorption effect နှင့်အတူ အလင်းအပေါ် optical modulation amplitude နှင့် signal distortion ကို လျော့ကျစေမည်ဖြစ်သည်။

InP modulator တွင် ထူးချွန်သော electro-optical effect များရှိပြီး multi-layer quantum well structure သည် 0.156V · mm အထိ Vπ·L ရှိသော ultra-high rate နှင့် low driving voltage modulator များကို လုပ်ဆောင်နိုင်သည်။ သို့သော်၊ လျှပ်စစ်စက်ကွင်းနှင့် refractive index ၏ ကွဲပြားမှုတွင် linear နှင့် nonlinear term များပါဝင်ပြီး၊ လျှပ်စစ်စက်ကွင်းပြင်းထန်မှုတိုးလာခြင်းသည် ဒုတိယအဆင့်အကျိုးသက်ရောက်မှုကို ထင်ရှားစေမည်ဖြစ်သည်။ ထို့ကြောင့်၊ silicon နှင့် InP electro-optic modulator များသည် ၎င်းတို့အလုပ်လုပ်သည့်အခါ pn junction ကိုဖွဲ့စည်းရန် bias ကိုအသုံးချရန် လိုအပ်ပြီး pn junction သည် အလင်းသို့ absorption loss ကို ယူဆောင်လာမည်ဖြစ်သည်။ သို့သော်၊ ဤနှစ်ခု၏ modulator အရွယ်အစားသည် သေးငယ်ပြီး စီးပွားဖြစ် InP modulator အရွယ်အစားသည် LN modulator ၏ 1/4 ဖြစ်သည်။ မြင့်မားသော modulation efficiency၊ data center များကဲ့သို့သော မြင့်မားသော density နှင့် အကွာအဝေးတို digital optical transmission network များအတွက် သင့်လျော်သည်။ lithium niobate ၏ electro-optical effect တွင် အလင်းစုပ်ယူမှုယန္တရားမရှိခြင်းနှင့် low loss ဖြစ်သောကြောင့် အကွာအဝေးရှည် coherent အတွက် သင့်လျော်သည်။အလင်းပညာ ဆက်သွယ်ရေးစွမ်းရည်ကြီးမားပြီး မြင့်မားသောနှုန်းဖြင့်။ မိုက်ခရိုဝေ့ဖ်ဖိုတွန်အသုံးချမှုတွင် Si နှင့် InP ၏ electro-optical coefficients များသည် nonlinear ဖြစ်သောကြောင့် မြင့်မားသော linearity နှင့် large dynamics ကို လိုက်စားသော မိုက်ခရိုဝေ့ဖ်ဖိုတွန်စနစ်အတွက် မသင့်တော်ပါ။ လီသီယမ်နိုက်ဘိတ်ပစ္စည်းသည် ၎င်း၏ လုံးဝ linear electro-optic modulation coefficient ကြောင့် မိုက်ခရိုဝေ့ဖ်ဖိုတွန်အသုံးချမှုအတွက် အလွန်သင့်လျော်ပါသည်။