उच्च एकीकृत पतली फिल्म लिथियम नियोबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर

उच्च रैखिकताइलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटरऔर माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग
संचार प्रणालियों की बढ़ती ज़रूरतों के साथ, संकेतों की संचरण क्षमता को और बेहतर बनाने के लिए, लोग पूरक लाभ प्राप्त करने के लिए फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों का संलयन करेंगे, और माइक्रोवेव फोटोनिक्स का जन्म होगा। विद्युत को प्रकाश में बदलने के लिए इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर की आवश्यकता होती है।माइक्रोवेव फोटोनिक सिस्टम, और यह महत्वपूर्ण चरण आमतौर पर पूरे सिस्टम के प्रदर्शन को निर्धारित करता है। चूँकि रेडियो आवृत्ति सिग्नल का ऑप्टिकल डोमेन में रूपांतरण एक एनालॉग सिग्नल प्रक्रिया है, और साधारणइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटरअंतर्निहित अरैखिकता के कारण, रूपांतरण प्रक्रिया में गंभीर संकेत विकृति होती है। अनुमानित रैखिक मॉडुलन प्राप्त करने के लिए, मॉडुलक का संचालन बिंदु आमतौर पर ऑर्थोगोनल बायस बिंदु पर स्थिर किया जाता है, लेकिन यह मॉडुलक की रैखिकता के लिए माइक्रोवेव फोटॉन लिंक की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता है। उच्च रैखिकता वाले इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉडुलकों की तत्काल आवश्यकता है।

सिलिकॉन पदार्थों का उच्च-गति अपवर्तनांक मॉडुलन आमतौर पर मुक्त वाहक प्लाज्मा फैलाव (FCD) प्रभाव द्वारा प्राप्त किया जाता है। FCD प्रभाव और PN जंक्शन मॉडुलन दोनों ही अरैखिक होते हैं, जो सिलिकॉन मॉडुलक को लिथियम नियोबेट मॉडुलक की तुलना में कम रैखिक बनाता है। लिथियम नियोबेट पदार्थ उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं।इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशनअपने पकर प्रभाव के कारण, लिथियम नाइओबेट सामग्री में उच्च बैंडविड्थ, अच्छे मॉड्यूलेशन गुण, कम हानि, आसान एकीकरण और अर्धचालक प्रक्रिया के साथ संगतता के लाभ हैं। पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट का उपयोग उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर बनाने के लिए किया जाता है, जिसमें सिलिकॉन की तुलना में लगभग कोई "छोटी प्लेट" नहीं होती है, बल्कि उच्च रैखिकता भी प्राप्त होती है। इन्सुलेटर पर पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट (LNOI) इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर एक आशाजनक विकास दिशा बन गया है। पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट सामग्री तैयारी तकनीक और वेवगाइड नक़्क़ाशी तकनीक के विकास के साथ, पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर की उच्च रूपांतरण दक्षता और उच्च एकीकरण अंतर्राष्ट्रीय शिक्षा और उद्योग का क्षेत्र बन गया है।

पतली फिल्म लिथियम नियोबेट की विशेषताएँ
संयुक्त राज्य अमेरिका में डीएपी एआर योजना ने लिथियम नाइओबेट पदार्थों का निम्नलिखित मूल्यांकन किया है: यदि इलेक्ट्रॉनिक क्रांति के केंद्र का नाम उस सिलिकॉन पदार्थ के नाम पर रखा गया है जिसने इसे संभव बनाया है, तो फोटोनिक्स क्रांति के जन्मस्थान का नाम भी लिथियम नाइओबेट के नाम पर रखा जाना संभव है। ऐसा इसलिए है क्योंकि लिथियम नाइओबेट प्रकाशिकी के क्षेत्र में सिलिकॉन पदार्थों की तरह ही विद्युत-प्रकाशीय प्रभाव, ध्वनि-प्रकाशीय प्रभाव, पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव, ताप-विद्युत प्रभाव और प्रकाश-अपवर्तक प्रभाव को एक साथ समाहित करता है।

ऑप्टिकल संचरण विशेषताओं के संदर्भ में, InP पदार्थ 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 सबसे अच्छी संचरण विशेषताएँ होती हैं, और हानि ~ 0.01dB/cm के स्तर तक पहुँच सकती है; वर्तमान में, पतली-फिल्म लिथियम नियोबेट वेवगाइड की वेवगाइड हानि 0.03dB/cm के स्तर तक पहुँच सकती है, और भविष्य में तकनीकी स्तर के निरंतर सुधार के साथ पतली-फिल्म लिथियम नियोबेट वेवगाइड की हानि को और कम किया जा सकता है। इसलिए, पतली-फिल्म लिथियम नियोबेट पदार्थ प्रकाश संश्लेषण पथ, शंट और माइक्रोरिंग जैसी निष्क्रिय प्रकाश संरचनाओं के लिए अच्छा प्रदर्शन दिखाएगा।

प्रकाश उत्पादन की दृष्टि से, केवल InP में ही सीधे प्रकाश उत्सर्जित करने की क्षमता होती है; इसलिए, माइक्रोवेव फोटॉनों के अनुप्रयोग के लिए, LNOI आधारित फोटोनिक एकीकृत चिप पर बैकलोडिंग वेल्डिंग या एपिटैक्सियल ग्रोथ विधि द्वारा InP आधारित प्रकाश स्रोत का प्रयोग आवश्यक है। प्रकाश मॉडुलन के संदर्भ में, ऊपर इस बात पर ज़ोर दिया गया है कि पतली फिल्म लिथियम नियोबेट पदार्थ, InP और Si की तुलना में अधिक मॉडुलन बैंडविड्थ, कम अर्ध-तरंग वोल्टेज और कम संचरण हानि प्राप्त करने में अधिक आसान है। इसके अलावा, पतली फिल्म लिथियम नियोबेट पदार्थों के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉडुलन की उच्च रैखिकता सभी माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है।

ऑप्टिकल रूटिंग के संदर्भ में, पतली फिल्म लिथियम नियोबेट पदार्थ की उच्च गति इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया LNOI-आधारित ऑप्टिकल स्विच को उच्च गति ऑप्टिकल रूटिंग स्विचिंग में सक्षम बनाती है, और इस उच्च गति स्विचिंग की बिजली खपत भी बहुत कम होती है। एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक के विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए, ऑप्टिकली नियंत्रित बीमफॉर्मिंग चिप में तेज़ बीम स्कैनिंग की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए उच्च गति स्विचिंग की क्षमता होती है, और अल्ट्रा-लो पावर खपत की विशेषताएँ बड़े पैमाने पर चरणबद्ध सरणी प्रणाली की सख्त आवश्यकताओं के अनुकूल होती हैं। हालाँकि InP-आधारित ऑप्टिकल स्विच उच्च गति ऑप्टिकल पथ स्विचिंग भी प्राप्त कर सकता है, लेकिन यह उच्च शोर उत्पन्न करेगा, खासकर जब बहुस्तरीय ऑप्टिकल स्विच कैस्केड किया जाता है, तो शोर गुणांक गंभीर रूप से बिगड़ जाएगा। सिलिकॉन, SiO2 और सिलिकॉन नाइट्राइड पदार्थ केवल थर्मो-ऑप्टिकल प्रभाव या वाहक फैलाव प्रभाव के माध्यम से ऑप्टिकल पथ स्विच कर सकते हैं, जिसमें उच्च बिजली खपत और धीमी स्विचिंग गति जैसे 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 (एसओएInP पर आधारित ) व्यावसायिक उपयोग के लिए परिपक्व हो चुका है, लेकिन इसमें उच्च शोर गुणांक और कम संतृप्ति आउटपुट शक्ति जैसी कमियाँ हैं, जो माइक्रोवेव फोटॉनों के अनुप्रयोग के लिए अनुकूल नहीं हैं। आवधिक सक्रियण और व्युत्क्रम पर आधारित पतली-फिल्म लिथियम नियोबेट वेवगाइड की पैरामीट्रिक प्रवर्धन प्रक्रिया कम शोर और उच्च शक्ति वाले ऑन-चिप ऑप्टिकल प्रवर्धन को प्राप्त कर सकती है, जो ऑन-चिप ऑप्टिकल प्रवर्धन के लिए एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक की आवश्यकताओं को अच्छी तरह से पूरा कर सकती है।

प्रकाश संसूचन के संदर्भ में, पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट में 1550 एनएम बैंड में प्रकाश के लिए अच्छी संचरण विशेषताएँ हैं। फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण का कार्य साकार नहीं किया जा सकता 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 ग्रोथ द्वारा InGaAs या Ge-Si संसूचन इकाइयों को पेश करने की आवश्यकता है। ऑप्टिकल फाइबर के साथ युग्मन के संदर्भ में, क्योंकि ऑप्टिकल फाइबर स्वयं SiO2 सामग्री है, SiO2 वेवगाइड के मोड फ़ील्ड में ऑप्टिकल फाइबर के मोड फ़ील्ड के साथ उच्चतम मिलान डिग्री होती है, और युग्मन सबसे सुविधाजनक होता है। पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट के दृढ़ता से प्रतिबंधित वेवगाइड का मोड फ़ील्ड व्यास लगभग 1μm है,

एकीकरण के संदर्भ में, विभिन्न सामग्रियों में उच्च एकीकरण क्षमता है या नहीं, यह मुख्य रूप से वेवगाइड की बंकन त्रिज्या (वेवगाइड मोड क्षेत्र की सीमा से प्रभावित) पर निर्भर करता है। दृढ़ता से प्रतिबंधित वेवगाइड एक छोटे बंकन त्रिज्या की अनुमति देता है, जो उच्च एकीकरण की प्राप्ति के लिए अधिक अनुकूल है। इसलिए, पतली-फिल्म लिथियम नियोबेट वेवगाइड में उच्च एकीकरण प्राप्त करने की क्षमता होती है। इसलिए, पतली-फिल्म लिथियम नियोबेट की उपस्थिति लिथियम नियोबेट सामग्री के लिए वास्तव में ऑप्टिकल "सिलिकॉन" की भूमिका निभाना संभव बनाती है। माइक्रोवेव फोटॉनों के अनुप्रयोग के लिए, पतली-फिल्म लिथियम नियोबेट के लाभ अधिक स्पष्ट हैं।