उच्च एकीकृत पतली फिल्म लिथियम niobate इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर

उच्च रैखिकताइलेक्ट्रो-ऑप्टिक न्यूनाधिकऔर माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग
संचार प्रणालियों की बढ़ती आवश्यकताओं के साथ, संकेतों की संचरण दक्षता में और सुधार करने के लिए, लोग पूरक लाभ प्राप्त करने के लिए फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को फ्यूज करेंगे, और माइक्रोवेव फोटोनिक्स का जन्म होगा। बिजली के रूपांतरण के लिए इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल न्यूनाधिक की आवश्यकता होती हैमाइक्रोवेव फोटोनिक प्रणालियाँ, और यह महत्वपूर्ण कदम आमतौर पर पूरे सिस्टम के प्रदर्शन को निर्धारित करता है। चूंकि ऑप्टिकल डोमेन में रेडियो फ्रीक्वेंसी सिग्नल का रूपांतरण एक एनालॉग सिग्नल प्रक्रिया है, और साधारण हैइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटरअंतर्निहित nonlinearity है, रूपांतरण प्रक्रिया में गंभीर संकेत विरूपण है। अनुमानित रैखिक मॉड्यूलेशन को प्राप्त करने के लिए, मॉड्यूलेटर का ऑपरेटिंग पॉइंट आमतौर पर ऑर्थोगोनल बायस पॉइंट पर तय किया जाता है, लेकिन यह अभी भी मॉड्यूलेटर की रैखिकता के लिए माइक्रोवेव फोटॉन लिंक की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता है। उच्च रैखिकता वाले इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर की तत्काल आवश्यकता होती है।

सिलिकॉन सामग्री की उच्च गति अपवर्तक सूचकांक मॉड्यूलेशन आमतौर पर मुक्त वाहक प्लाज्मा फैलाव (एफसीडी) प्रभाव द्वारा प्राप्त की जाती है। एफसीडी प्रभाव और पीएन जंक्शन मॉड्यूलेशन दोनों नॉनलाइनियर हैं, जो सिलिकॉन मॉड्यूलेटर को लिथियम नीबेट मॉड्यूलेटर की तुलना में कम रैखिक बनाता है। लिथियम niobate सामग्री उत्कृष्ट प्रदर्शनइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशनउनके पकर प्रभाव के कारण गुण। एक ही समय में, लिथियम niobate सामग्री में बड़े बैंडविड्थ, अच्छी मॉड्यूलेशन विशेषताओं, कम हानि, आसान एकीकरण और सेमीकंडक्टर प्रक्रिया के साथ संगतता के फायदे हैं, पतली फिल्म लिथियम niobate का उपयोग उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल न्यूनाधिक बनाने के लिए, सिलिकॉन के साथ लगभग "छोटी प्लेट" की तुलना में है। इंसुलेटर पर पतली फिल्म लिथियम niobate (LNOI) इलेक्ट्रो-ऑप्टिक न्यूनाधिक एक आशाजनक विकास दिशा बन गई है। पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री तैयारी प्रौद्योगिकी और वेवगाइड नक़्क़ाशी प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, उच्च रूपांतरण दक्षता और पतली फिल्म लिथियम niobate इलेक्ट्रो-ऑप्टिक न्यूनाधिक की उच्च एकीकरण अंतर्राष्ट्रीय अकादमिया और उद्योग का क्षेत्र बन गया है।

पतली फिल्म लिथियम niobate के लक्षण
संयुक्त राज्य अमेरिका में DAP AR योजना ने लिथियम niobate सामग्री का निम्नलिखित मूल्यांकन किया है: यदि इलेक्ट्रॉनिक क्रांति के केंद्र का नाम सिलिकॉन सामग्री के नाम पर रखा गया है जो इसे संभव बनाता है, तो फोटोनिक्स क्रांति के जन्मस्थान का नाम लिथियम niobate के नाम पर रखा जा सकता है। इसका कारण यह है कि लिथियम niobate इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव, ध्वनो-ऑप्टिकल प्रभाव, पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव, थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव और एक में फोटोरफैक्टिव प्रभाव को एकीकृत करता है, जो कि ऑप्टिक्स के क्षेत्र में सिलिकॉन सामग्री की तरह है।

ऑप्टिकल ट्रांसमिशन विशेषताओं के संदर्भ में, INP सामग्री में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले 1550nm बैंड में प्रकाश के अवशोषण के कारण सबसे बड़ा ऑन-चिप ट्रांसमिशन नुकसान होता है। SiO2 और सिलिकॉन नाइट्राइड में सबसे अच्छा ट्रांसमिशन विशेषताएं होती हैं, और नुकसान ~ 0.01db/cm के स्तर तक पहुंच सकता है; वर्तमान में, पतली-फिल्म लिथियम नीबेट वेवगाइड का वेवगाइड नुकसान 0.03db/सेमी के स्तर तक पहुंच सकता है, और भविष्य में तकनीकी स्तर के निरंतर सुधार के साथ पतली-फिल्म लिथियम niobate वेवगाइड के नुकसान को और कम करने की क्षमता है। इसलिए, पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री निष्क्रिय प्रकाश संरचनाओं जैसे कि प्रकाश संश्लेषक पथ, शंट और माइक्रोरिंग के लिए अच्छा प्रदर्शन दिखाएगी।

प्रकाश उत्पादन के संदर्भ में, केवल INP में सीधे प्रकाश का उत्सर्जन करने की क्षमता होती है; इसलिए, माइक्रोवेव फोटॉन के आवेदन के लिए, वेल्डिंग या एपिटैक्सियल विकास के तरीके से LNOI आधारित फोटोनिक इंटीग्रेटेड चिप पर INP आधारित प्रकाश स्रोत को पेश करना आवश्यक है। प्रकाश मॉड्यूलेशन के संदर्भ में, यह ऊपर जोर दिया गया है कि पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री को INP और SI की तुलना में बड़े मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, कम आधे-तरंग वोल्टेज और कम ट्रांसमिशन लॉस को प्राप्त करना आसान है। इसके अलावा, सभी माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों के लिए पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन की उच्च रैखिकता आवश्यक है।

ऑप्टिकल रूटिंग के संदर्भ में, पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री की उच्च गति इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया LNOI आधारित ऑप्टिकल स्विच को उच्च गति वाले ऑप्टिकल रूटिंग स्विचिंग में सक्षम बनाती है, और इस तरह के उच्च गति स्विचिंग की बिजली की खपत भी बहुत कम है। एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए, वैकल्पिक रूप से नियंत्रित बीमफॉर्मिंग चिप में फास्ट बीम स्कैनिंग की जरूरतों को पूरा करने के लिए हाई-स्पीड स्विचिंग की क्षमता है, और अल्ट्रा-लो बिजली की खपत की विशेषताओं को बड़े पैमाने पर चरणबद्ध सरणी प्रणाली की सख्त आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित किया गया है। यद्यपि INP आधारित ऑप्टिकल स्विच भी हाई-स्पीड ऑप्टिकल पथ स्विचिंग का एहसास कर सकता है, यह बड़े शोर को पेश करेगा, खासकर जब मल्टीलेवल ऑप्टिकल स्विच कैस्केड किया जाता है, तो शोर गुणांक गंभीर रूप से खराब हो जाएगा। सिलिकॉन, एसआईओ 2 और सिलिकॉन नाइट्राइड सामग्री केवल थर्मो-ऑप्टिकल प्रभाव या वाहक फैलाव प्रभाव के माध्यम से ऑप्टिकल पथों को स्विच कर सकती है, जिसमें उच्च शक्ति की खपत और धीमी गति से स्विचिंग गति के नुकसान हैं। जब चरणबद्ध सरणी का सरणी आकार बड़ा होता है, तो यह बिजली की खपत की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता है।

ऑप्टिकल प्रवर्धन के संदर्भ में,अर्धचालक ऑप्टिकल एम्पलीफायर (एसओए) INP पर आधारित व्यावसायिक उपयोग के लिए परिपक्व रहा है, लेकिन इसमें उच्च शोर गुणांक और कम संतृप्ति आउटपुट पावर के नुकसान हैं, जो माइक्रोवेव फोटॉनों के अनुप्रयोग के लिए अनुकूल नहीं है। आवधिक सक्रियण और उलटा के आधार पर पतली-फिल्म लिथियम niobate वेवगाइड की पैरामीट्रिक प्रवर्धन प्रक्रिया कम शोर और उच्च शक्ति ऑन-चिप ऑप्टिकल प्रवर्धन प्राप्त कर सकती है, जो अच्छी तरह से ऑन-चिप ऑप्टिकल प्रवर्धन के लिए एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी की आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है।

प्रकाश का पता लगाने के संदर्भ में, पतली फिल्म लिथियम niobate में 1550 एनएम बैंड में प्रकाश के लिए अच्छी संचरण विशेषताएं हैं। फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण के कार्य को महसूस नहीं किया जा सकता है, इसलिए चिप पर फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण की जरूरतों को पूरा करने के लिए, माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों के लिए। INGAAS या GE-SI डिटेक्शन इकाइयों को वेल्डिंग या एपिटैक्सियल ग्रोथ द्वारा LNOI आधारित फोटोनिक इंटीग्रेटेड चिप्स पर पेश करने की आवश्यकता है। ऑप्टिकल फाइबर के साथ युग्मन के संदर्भ में, क्योंकि ऑप्टिकल फाइबर ही SiO2 सामग्री है, SiO2 वेवगाइड के मोड फ़ील्ड में ऑप्टिकल फाइबर के मोड फ़ील्ड के साथ उच्चतम मिलान डिग्री है, और युग्मन सबसे सुविधाजनक है। पतली फिल्म लिथियम niobate के दृढ़ता से प्रतिबंधित वेवगाइड का मोड फ़ील्ड व्यास लगभग 1μm है, जो ऑप्टिकल फाइबर के मोड फ़ील्ड से काफी अलग है, इसलिए ऑप्टिकल फाइबर के मोड फील्ड से मिलान करने के लिए उचित मोड स्पॉट परिवर्तन किया जाना चाहिए।

एकीकरण के संदर्भ में, चाहे विभिन्न सामग्रियों में एक उच्च एकीकरण क्षमता हो, मुख्य रूप से वेवगाइड (वेवगाइड मोड फ़ील्ड की सीमा से प्रभावित) के झुकने वाले त्रिज्या पर निर्भर करता है। दृढ़ता से प्रतिबंधित वेवगाइड एक छोटे झुकने वाले त्रिज्या की अनुमति देता है, जो उच्च एकीकरण की प्राप्ति के लिए अधिक अनुकूल है। इसलिए, पतली-फिल्म लिथियम niobate waveguides में उच्च एकीकरण प्राप्त करने की क्षमता होती है। इसलिए, पतली फिल्म लिथियम niobate की उपस्थिति लिथियम niobate सामग्री के लिए वास्तव में ऑप्टिकल "सिलिकॉन" की भूमिका निभाने के लिए संभव बनाती है। माइक्रोवेव फोटॉनों के आवेदन के लिए, पतली फिल्म लिथियम niobate के फायदे अधिक स्पष्ट हैं।