उच्च एकीकृत पतली फिल्म लिथियम नायोबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर

उच्च रैखिकताइलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटरऔर माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग
संचार प्रणालियों की बढ़ती आवश्यकताओं के साथ, संकेतों के संचरण की दक्षता को और बेहतर बनाने के लिए, लोग पूरक लाभों को प्राप्त करने के लिए फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को संयोजित करेंगे, और इस प्रकार माइक्रोवेव फोटोनिक्स का जन्म होगा। विद्युत को प्रकाश में परिवर्तित करने के लिए इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर की आवश्यकता होती है।माइक्रोवेव फोटोनिक सिस्टमऔर यह महत्वपूर्ण चरण आमतौर पर पूरे सिस्टम के प्रदर्शन को निर्धारित करता है। चूंकि रेडियो आवृत्ति सिग्नल को ऑप्टिकल डोमेन में परिवर्तित करना एक एनालॉग सिग्नल प्रक्रिया है, और सामान्यइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटरइनमें अंतर्निहित अरैखिकता होती है, जिससे रूपांतरण प्रक्रिया में सिग्नल में गंभीर विकृति उत्पन्न होती है। लगभग रैखिक मॉड्यूलेशन प्राप्त करने के लिए, मॉड्यूलेटर का परिचालन बिंदु आमतौर पर ऑर्थोगोनल बायस बिंदु पर स्थिर किया जाता है, लेकिन फिर भी यह मॉड्यूलेटर की रैखिकता के लिए माइक्रोवेव फोटॉन लिंक की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर पाता है। उच्च रैखिकता वाले इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटरों की तत्काल आवश्यकता है।

सिलिकॉन पदार्थों का उच्च गति अपवर्तक सूचकांक मॉड्यूलेशन आमतौर पर मुक्त वाहक प्लाज्मा फैलाव (एफसीडी) प्रभाव द्वारा प्राप्त किया जाता है। एफसीडी प्रभाव और पीएन जंक्शन मॉड्यूलेशन दोनों ही अरैखिक होते हैं, जिसके कारण सिलिकॉन मॉड्यूलेटर लिथियम नायोबेट मॉड्यूलेटर की तुलना में कम रैखिक होता है। लिथियम नायोबेट पदार्थ उत्कृष्ट गुण प्रदर्शित करते हैं।इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशनपकर प्रभाव के कारण लिथियम नायोबेट के गुणधर्मों में वृद्धि होती है। साथ ही, लिथियम नायोबेट सामग्री में उच्च बैंडविड्थ, बेहतर मॉड्यूलेशन विशेषताएँ, कम हानि, आसान एकीकरण और अर्धचालक प्रक्रिया के साथ अनुकूलता जैसे लाभ हैं। पतली फिल्म लिथियम नायोबेट का उपयोग उच्च-प्रदर्शन वाले इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर बनाने के लिए किया जाता है, जो सिलिकॉन की तुलना में लगभग "शॉर्ट प्लेट" की समस्या नहीं पैदा करता है, और साथ ही उच्च रैखिकता भी प्राप्त करता है। इंसुलेटर पर पतली फिल्म लिथियम नायोबेट (LNOI) इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर एक आशाजनक विकास दिशा बन गया है। पतली फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री निर्माण तकनीक और वेवगाइड एचिंग तकनीक के विकास के साथ, पतली फिल्म लिथियम नायोबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर की उच्च रूपांतरण दक्षता और उच्च एकीकरण अंतरराष्ट्रीय शिक्षाविदों और उद्योगों के लिए एक महत्वपूर्ण क्षेत्र बन गया है।

पतली फिल्म लिथियम नायोबेट की विशेषताएं
अमेरिका में डीएपी एआर योजना ने लिथियम नायोबेट सामग्री का निम्नलिखित मूल्यांकन किया है: यदि इलेक्ट्रॉनिक क्रांति के केंद्र का नाम उस सिलिकॉन सामग्री के नाम पर रखा जाता है जिसने इसे संभव बनाया है, तो फोटोनिक्स क्रांति के जन्मस्थान का नाम संभवतः लिथियम नायोबेट के नाम पर रखा जाएगा। इसका कारण यह है कि लिथियम नायोबेट में विद्युत-प्रकाशिक प्रभाव, ध्वनिक-प्रकाशिक प्रभाव, पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव, थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव और फोटोरिफ़्रेक्टिव प्रभाव एक साथ समाहित हैं, ठीक उसी तरह जैसे प्रकाशिकी के क्षेत्र में सिलिकॉन सामग्री में होते हैं।

प्रकाशीय संचरण विशेषताओं के संदर्भ में, InP सामग्री में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले 1550nm बैंड में प्रकाश के अवशोषण के कारण सबसे अधिक ऑन-चिप संचरण हानि होती है। SiO2 और सिलिकॉन नाइट्राइड में सर्वोत्तम संचरण विशेषताएँ होती हैं, और हानि लगभग 0.01dB/cm तक पहुँच सकती है; वर्तमान में, पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट वेवगाइड की वेवगाइड हानि 0.03dB/cm तक पहुँच सकती है, और भविष्य में तकनीकी स्तर में निरंतर सुधार के साथ पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट वेवगाइड की हानि को और कम करने की क्षमता है। इसलिए, पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री प्रकाश संश्लेषण पथ, शंट और माइक्रोरिंग जैसी निष्क्रिय प्रकाश संरचनाओं के लिए अच्छा प्रदर्शन करेगी।

प्रकाश उत्पादन के संदर्भ में, केवल InP ही प्रत्यक्ष रूप से प्रकाश उत्सर्जित करने की क्षमता रखता है; इसलिए, माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग के लिए, बैकलोडिंग वेल्डिंग या एपिटैक्सियल वृद्धि विधि द्वारा LNOI आधारित फोटोनिक एकीकृत चिप पर InP आधारित प्रकाश स्रोत को स्थापित करना आवश्यक है। प्रकाश मॉड्यूलेशन के संदर्भ में, ऊपर यह बताया गया है कि पतली फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री InP और Si की तुलना में अधिक मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, कम अर्ध-तरंग वोल्टेज और कम संचरण हानि प्राप्त करना आसान बनाती है। इसके अलावा, पतली फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन की उच्च रैखिकता सभी माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है।

ऑप्टिकल रूटिंग के संदर्भ में, पतली फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री की उच्च गति वाली इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया LNOI आधारित ऑप्टिकल स्विच को उच्च गति वाली ऑप्टिकल रूटिंग स्विचिंग में सक्षम बनाती है, और इस तरह की उच्च गति वाली स्विचिंग की बिजली खपत भी बहुत कम होती है। एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए, ऑप्टिकली नियंत्रित बीमफॉर्मिंग चिप में तीव्र बीम स्कैनिंग की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए उच्च गति वाली स्विचिंग की क्षमता होती है, और अति-निम्न बिजली खपत की विशेषताएँ बड़े पैमाने पर फेज़्ड ऐरे सिस्टम की सख्त आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त हैं। यद्यपि InP आधारित ऑप्टिकल स्विच भी उच्च गति वाली ऑप्टिकल पथ स्विचिंग को साकार कर सकता है, लेकिन यह अधिक शोर उत्पन्न करेगा, विशेष रूप से जब बहुस्तरीय ऑप्टिकल स्विच को कैस्केड किया जाता है, तो शोर गुणांक गंभीर रूप से बिगड़ जाएगा। सिलिकॉन, SiO2 और सिलिकॉन नाइट्राइड सामग्री केवल थर्मो-ऑप्टिकल प्रभाव या वाहक फैलाव प्रभाव के माध्यम से ऑप्टिकल पथों को स्विच कर सकती हैं, जिनमें उच्च बिजली खपत और धीमी स्विचिंग गति की कमियाँ हैं। जब फेज़्ड ऐरे का आकार बड़ा होता है, तो यह बिजली खपत की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता है।

प्रकाशीय प्रवर्धन के संदर्भ में,सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायर (एसओएInP पर आधारित तकनीक व्यावसायिक उपयोग के लिए परिपक्व हो चुकी है, लेकिन इसमें उच्च शोर गुणांक और कम संतृप्ति आउटपुट शक्ति जैसी कमियां हैं, जो माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त नहीं हैं। आवधिक सक्रियण और व्युत्क्रमण पर आधारित पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट वेवगाइड की पैरामीट्रिक प्रवर्धन प्रक्रिया कम शोर और उच्च शक्ति वाला ऑन-चिप ऑप्टिकल प्रवर्धन प्राप्त कर सकती है, जो ऑन-चिप ऑप्टिकल प्रवर्धन के लिए एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक की आवश्यकताओं को बखूबी पूरा करती है।

प्रकाश संवेदन के संदर्भ में, पतली फिल्म लिथियम नायोबेट में 1550 एनएम बैंड में प्रकाश के लिए अच्छी संचरण विशेषताएँ होती हैं। फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण का कार्य इसमें संभव नहीं है, इसलिए माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों के लिए, चिप पर फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, LNOI आधारित फोटोनिक एकीकृत चिप्स पर बैकलोडिंग वेल्डिंग या एपिटैक्सियल वृद्धि द्वारा InGaAs या Ge-Si संवेदन इकाइयों को स्थापित करना आवश्यक है। ऑप्टिकल फाइबर के साथ युग्मन के संदर्भ में, चूंकि ऑप्टिकल फाइबर स्वयं SiO2 पदार्थ से बना होता है, इसलिए SiO2 वेवगाइड का मोड क्षेत्र ऑप्टिकल फाइबर के मोड क्षेत्र के साथ उच्चतम मिलान डिग्री रखता है, और युग्मन सबसे सुविधाजनक होता है। पतली फिल्म लिथियम नायोबेट के अत्यधिक संकुचित वेवगाइड का मोड क्षेत्र व्यास लगभग 1μm होता है, जो ऑप्टिकल फाइबर के मोड क्षेत्र से काफी भिन्न होता है, इसलिए ऑप्टिकल फाइबर के मोड क्षेत्र से मिलान करने के लिए उचित मोड स्पॉट रूपांतरण करना आवश्यक है।

एकीकरण के संदर्भ में, विभिन्न सामग्रियों में उच्च एकीकरण क्षमता है या नहीं, यह मुख्य रूप से वेवगाइड की बेंडिंग त्रिज्या (वेवगाइड मोड क्षेत्र की सीमा से प्रभावित) पर निर्भर करता है। अत्यधिक प्रतिबंधित वेवगाइड छोटी बेंडिंग त्रिज्या की अनुमति देता है, जो उच्च एकीकरण की प्राप्ति के लिए अधिक अनुकूल है। इसलिए, पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट वेवगाइड में उच्च एकीकरण प्राप्त करने की क्षमता है। अतः, पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट के उद्भव से लिथियम नायोबेट सामग्री के लिए ऑप्टिकल "सिलिकॉन" की भूमिका निभाना संभव हो गया है। माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग के लिए, पतली-फिल्म लिथियम नायोबेट के लाभ और भी स्पष्ट हैं।