Projekta nosaukums: Elektrooptiskā modulācija, balstīta uz zudumrežīma rezonanses mehānismu
Pētniecības pieteikuma nr: 1.1.1.9/LZP/1/24/117
Projekta ilgums: 01.06.2025.-31.05.2028.
Projekta vadītājs: Ph.D. Edvīns Ļetko, Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI)
Kopējais finansējums: 184 140 EUR
Eiropas Reģionālās attīstības fonda (ERAF) finansējums: 156 519 EUR
Valsts budžeta finansējums: 18 414 EUR
LU CFI finansējums: 9 207 EUR
Projekta kopsavilkums:
Šis starpdisciplinārais pēcdoktorantūras projekts piedāvā jaunu mehānismu viļņa garuma, intensitātes un polarizācijas modulācijai integrētās fotonikas čipos. Projekts izmanto līdz šim fotonikas modulācijā neizmantoto zudumrežīma modu rezonanses fenomenu un koncentrējas uz trim galvenajiem jauninājumiem: plaša spektra signāla modulāciju, ko nodrošina elektriski regulējama zudumrežīma modu rezonanse, īpaši ātru modulāciju, pateicoties elektronu kustīgumam zudumu pārklājumā, kā arī zudumrežīma modu rezonanses pielietojuma paplašināšanu ārpus sensoriem, īpaši optiskajā modulācijā. Projekts apvieno zināšanas materiālzinātnē, fizikā, ķīmijā, mikroveidošanā, fotonikā un optiskajā skaitļošanā, kas sola jaunas funkcionalitātes un uzlabotu veiktspēju integrētajās fotonikas sistēmās.
PROJEKTA PROGRESS
Laika periods: 01.10.2025. – 31.03.2026.
Turpinot ierīces teorētisko izstrādi, nākamajā posmā tika veikta pārklājumu biezumu optimizācija. Simulācijas parādīja, ka indija alvas oksīda (ITO) elektrodu biezumam jābūt pēc iespējas mazākam, lai samazinātu to ietekmi uz LMR signālu, tomēr literatūrā norādīts, ka vienmērīga ārējā elektriskā lauka nodrošināšanai nepieciešams vismaz 20 nm biezs elektrods. Tādēļ tika izvēlēti 20 nm biezi ITO elektrodi. Tāpat tika secināts, ka alumīnija oksīda izolējošais slānis pēc iespējas jāveido plānāks, jo tas efektīvi slāpē pielikto elektrisko lauku. Literatūras analīze parādīja, ka 2 nm biezs Al₂O₃ slānis ir pietiekams nepieciešamo izolējošo īpašību nodrošināšanai. Savukārt dažādu TiO₂ slāņa biezumu analīze atklāja, ka visaugstākā elektrooptiskā jutība, aptuveni 4 nm/V, tiek sasniegta pie 60 nm bieza TiO₂ slāņa. Līdz ar to šobrīd izstrādātās ierīces arhitektūru veido 20 nm biezi indija alvas oksīda elektrodi, 2 nm biezi alumīnija oksīda izolējošie pārklājumi un 60 nm biezs titāna dioksīda modulējamais slānis.
Iegūtie simulāciju rezultāti ļāva arī padziļināti novērtēt LMR parādības potenciālu aktīvās integrētās fotonikas ierīcēs. Tika parādīts, ka LMR iespējams efektīvi izmantot elektrooptiski regulējamos filtros, un izstrādātā ierīce sasniedza augstu elektrooptisko jutību ap 4 nm/V, kas pārsniedz vairumu literatūrā aprakstīto elektrooptisko filtru. Tika konstatēts, ka lielāku efektivitāti nodrošina plānāki elektrodi un TiO₂ slāņi, savukārt biezāki TiO₂ slāņi veicina šaurāku LMR rezonansi. Iegūtie rezultāti apliecina šīs pieejas potenciālu sensoru, telekomunikāciju un RF fotonikas pielietojumos. Balstoties uz šiem rezultātiem, tika sagatavots un publicēts zinātniskais raksts Q2 līmeņa Scopus žurnālā: https://doi.org/10.3390/photonics12111086
Pamatojoties uz optimizētajām pārklājumu receptēm, tika izgatavotas daudzslāņu struktūras elektrods–izolators–pusvadītājs–izolators–elektrods, kur ITO kalpoja kā elektrods, Al2O3 kā izolators, bet TiO₂ kā pusvadītājs. Šīs struktūras tika analizētas ar elektriskās zondēšanas staciju, lai pārbaudītu, vai, pieliekot ārējo elektrisko lauku starp elektrodiem, neveidojas noplūdes strāva. Mērījumos tika konstatēts, ka atomslāņu nogulsnēšanas metodē audzētam TiO₂ pie sprieguma virs 1.5 V sāk parādīties noplūdes strāva, kas ir būtisks rezultāts, jo simulācijās ierīces darbība tika paredzēta pie spriegumiem līdz 10 V. Papildus tika veikti arī elipsometrijas mērījumi, vienlaikus pieliekot spriegumu līdz 1.5 V, tomēr šī metode neizrādījās pietiekami jutīga elektrooptisko izmaiņu noteikšanai. Tādēļ tika secināts, ka piemērotāks materiāls turpmākajiem pētījumiem varētu būt ar magnetrona putināšanas metodi audzēts TiO₂, kam, iespējams, piemīt izteiktākas izolējošās īpašības. Šobrīd ir pieņemts lēmums turpmākos paraugus izgatavot ar šo metodi, lai gan tie vēl nav eksperimentāli pārbaudīti.
Vienlaikus tiek pētīta arī alternatīva pieeja elektrooptiskās modulācijas nodrošināšanai, izmantojot printētus elektrolītus. Literatūrā ir parādīts, ka ārējā elektriskā lauka ietekmē joni elektrolītā uzkrājas elektroda virsmas tuvumā un sava izmēra dēļ nevar difundēt cauri materiālam, kas padara šo pieeju perspektīvu elektrooptiskajai modulācijai. Balstoties uz šo principu, sadarbībā ar Zviedrijas partneriem uz planāriem viļņvadiem ar ITO pārklājumu LMR ģenerēšanai tika uzdrukāts cietais elektrolīts. Šajos eksperimentos tika novērota veiksmīga elektrooptiska LMR nobīde, kas apstiprina arī šīs alternatīvās pieejas potenciālu turpmākai ierīces attīstībai.
Laika periods: 01.05.2025. – 30.09.2025.
Projekta īstenošana tika uzsākta ar ierīces modelēšanu COMSOL Multiphysics vidē. Tā kā projekta piedāvātās ierīces darbības pamatā ir elektro–optiskie efekti, kas rodas brīvo lādiņnesēju pārkārtošanās rezultātā, bija nepieciešams apgūt jaunus šī simulācijas rīka iebūvētos moduļus. Ar “Optic Wave” moduli man jau bija iepriekšēja pieredze, tādēļ bija skaidrs, kā to izmantot optisko efektu modelēšanai ierīcē. Savukārt, lai izprastu brīvo lādiņnesēju kinētiku, bija jāapgūst “Semiconductor” modulis no pamatiem. Šī moduļa apguve ļāva noteikt, kādi materiāli būtu vispiemērotākie ierīces izveidei.
Pirmkārt, tika konstatēts, ka LMR signāla nobīdi ārējā elektriskā lauka ietekmē iespējams novērot tikai tuvā infrasarkanā spektra diapazonā. Šī parādība izskaidrojama ar Druda oscilatora modeli, kas apraksta optisko īpašību izmaiņas atkarībā no brīvo lādiņnesēju koncentrācijas tieši šajā diapazonā. Pamatojoties uz iegūtajiem rezultātiem, par viļņvada materiālu tika izvēlēts komerciāli pieejamais fotorezists OrmoCore, kam raksturīgi zudumi 0.2 dB/cm pie 1310 nm viļņa garuma — mazāki nekā citiem līdzīgas klases fotorezistiem.
Otrkārt, analīze parādīja, ka optimālās viļņvada dimensijas projektētajai ierīcei ir 40 × 40 µm. Ierīce tiek veidota uz elektrods–izolators–pusvadītājs–izolators–elektrods arhitektūras principa. Par izolējošo materiālu tika izvēlēts Al₂O₃, pateicoties tā izcilajām dielektriskajām īpašībām un plašajam pielietojumam optoelektronikas jomā. Analīzes rezultāti norādīja, ka izolējošā slāņa biezums jāizvēlas pēc iespējas mazāks, lai samazinātu tā ietekmi uz LMR signālu. Šādas plānas kārtiņas iespējams iegūt, izmantojot atomslāņa nogulsnēšanas iekārtu, kas pieejama CFI LU, tādējādi apstiprinot materiāla piemērotību. Par elektroda materiālu tika izvēlēts indija alvas oksīds (ITO), jo tas apvieno caurspīdīguma un elektriskās vadītspējas īpašības, novēršot gaismas zudumus, kas rastos, izmantojot metāliskus elektrodus. Par modulējamo materiālu izvēlēts TiO₂, kura spēju radīt LMR parādību apstiprina literatūras dati. Turklāt analīze parādīja, ka šim materiālam piemīt augsta dielektriskā caurlaidība, kas palielina Debaja garumu un līdz ar to uzlabo ārējā elektriskā lauka iedarbības efektivitāti.
Projekta minētajā posmā paralēli ierīces teorētiskajai izstrādei tika veikti arī eksperimentāli pētījumi, kuros tika optimizēti plāno kārtiņu nogulsnēšanas procesi. Visas kārtiņas tika sekmīgi iegūtas, izmantojot atomslāņa nogulsnēšanu un magnetrona putināšanu, kā arī tām tika noteiktas optiskās īpašības, lai šos datus varētu izmantot turpmākajās ierīces simulācijās.