पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट सामग्री और पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट मॉड्यूलेटर

एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी में पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट के लाभ और महत्व

माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकीइसमें बड़ी कामकाजी बैंडविड्थ, मजबूत समानांतर प्रसंस्करण क्षमता और कम ट्रांसमिशन हानि के फायदे हैं, जो पारंपरिक माइक्रोवेव प्रणाली की तकनीकी बाधा को तोड़ने और रडार, इलेक्ट्रॉनिक युद्ध, संचार और माप जैसे सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना उपकरणों के प्रदर्शन में सुधार करने की क्षमता रखता है। नियंत्रण। हालाँकि, अलग-अलग उपकरणों पर आधारित माइक्रोवेव फोटॉन प्रणाली में बड़ी मात्रा, भारी वजन और खराब स्थिरता जैसी कुछ समस्याएं हैं, जो अंतरिक्ष और हवाई प्लेटफार्मों में माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक के अनुप्रयोग को गंभीर रूप से प्रतिबंधित करती हैं। इसलिए, एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना प्रणाली में माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग को तोड़ने और माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के फायदों को पूरा बढ़ावा देने के लिए एक महत्वपूर्ण समर्थन बन रही है।

वर्तमान में, ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में वर्षों के विकास के बाद एसआई-आधारित फोटोनिक एकीकरण तकनीक और आईएनपी-आधारित फोटोनिक एकीकरण तकनीक अधिक परिपक्व हो गई है, और बहुत सारे उत्पाद बाजार में उतारे गए हैं। हालाँकि, माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग के लिए, इन दो प्रकार की फोटॉन एकीकरण प्रौद्योगिकियों में कुछ समस्याएं हैं: उदाहरण के लिए, Si मॉड्यूलेटर और InP मॉड्यूलेटर का नॉनलाइनियर इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक माइक्रोवेव द्वारा अपनाई गई उच्च रैखिकता और बड़ी गतिशील विशेषताओं के विपरीत है। फोटॉन प्रौद्योगिकी; उदाहरण के लिए, सिलिकॉन ऑप्टिकल स्विच जो ऑप्टिकल पथ स्विचिंग का एहसास करता है, चाहे वह थर्मल-ऑप्टिकल प्रभाव, पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव, या वाहक इंजेक्शन फैलाव प्रभाव पर आधारित हो, धीमी स्विचिंग गति, बिजली की खपत और गर्मी की खपत की समस्याएं हैं, जो तेजी से पूरा नहीं कर सकती हैं बीम स्कैनिंग और बड़े एरे स्केल माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग।

उच्च गति के लिए लिथियम नाइओबेट हमेशा पहली पसंद रहा हैइलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशनसामग्री अपने उत्कृष्ट रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव के कारण। हालाँकि, पारंपरिक लिथियम नाइओबेटइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटरविशाल लिथियम नाइओबेट क्रिस्टल सामग्री से बना है, और डिवाइस का आकार बहुत बड़ा है, जो एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी की जरूरतों को पूरा नहीं कर सकता है। एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी प्रणाली में रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक के साथ लिथियम नाइओबेट सामग्री को कैसे एकीकृत किया जाए यह प्रासंगिक शोधकर्ताओं का लक्ष्य बन गया है। 2018 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में हार्वर्ड विश्वविद्यालय की एक शोध टीम ने पहली बार प्रकृति में पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट पर आधारित फोटोनिक एकीकरण तकनीक की सूचना दी, क्योंकि प्रौद्योगिकी में उच्च एकीकरण, बड़े इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ और इलेक्ट्रो की उच्च रैखिकता के फायदे हैं। -ऑप्टिकल प्रभाव, एक बार लॉन्च होने के बाद, इसने तुरंत फोटोनिक एकीकरण और माइक्रोवेव फोटोनिक्स के क्षेत्र में अकादमिक और औद्योगिक ध्यान आकर्षित किया। माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग के परिप्रेक्ष्य से, यह पेपर माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के विकास पर पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट पर आधारित फोटॉन एकीकरण प्रौद्योगिकी के प्रभाव और महत्व की समीक्षा करता है।

पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट सामग्री और पतली फिल्मलिथियम नाइओबेट मॉड्यूलेटर
हाल के दो वर्षों में, एक नए प्रकार की लिथियम नाइओबेट सामग्री सामने आई है, यानी, लिथियम नाइओबेट फिल्म को "आयन स्लाइसिंग" की विधि द्वारा विशाल लिथियम नाइओबेट क्रिस्टल से निकाला जाता है और सिलिका बफर परत के साथ सी वेफर से जोड़ा जाता है। एलएनओआई (LiNbO3-ऑन-इंसुलेटर) सामग्री का निर्माण करें [5], जिसे इस पेपर में पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट सामग्री कहा जाता है। 100 नैनोमीटर से अधिक की ऊंचाई वाले रिज वेवगाइड को अनुकूलित शुष्क नक़्क़ाशी प्रक्रिया द्वारा पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट सामग्री पर उकेरा जा सकता है, और गठित वेवगाइड का प्रभावी अपवर्तक सूचकांक अंतर 0.8 से अधिक (पारंपरिक के अपवर्तक सूचकांक अंतर से कहीं अधिक) तक पहुंच सकता है 0.02 के लिथियम नाइओबेट वेवगाइड), जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। दृढ़ता से प्रतिबंधित वेवगाइड मॉड्यूलेटर को डिजाइन करते समय प्रकाश क्षेत्र को माइक्रोवेव क्षेत्र के साथ मिलाना आसान बनाता है। इस प्रकार, कम लंबाई में कम अर्ध-तरंग वोल्टेज और बड़े मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ को प्राप्त करना फायदेमंद है।

कम हानि वाले लिथियम नाइओबेट सबमाइक्रोन वेवगाइड की उपस्थिति पारंपरिक लिथियम नाइओबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर के उच्च ड्राइविंग वोल्टेज की बाधा को तोड़ देती है। इलेक्ट्रोड रिक्ति को ~ 5 माइक्रोन तक कम किया जा सकता है, और विद्युत क्षेत्र और ऑप्टिकल मोड क्षेत्र के बीच ओवरलैप काफी बढ़ जाता है, और वीπ·एल 20 वी·सेमी से अधिक से घटकर 2.8 वी·सेमी से कम हो जाता है। इसलिए, समान अर्ध-तरंग वोल्टेज के तहत, पारंपरिक मॉड्यूलेटर की तुलना में डिवाइस की लंबाई को काफी कम किया जा सकता है। उसी समय, यात्रा तरंग इलेक्ट्रोड की चौड़ाई, मोटाई और अंतराल के मापदंडों को अनुकूलित करने के बाद, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, मॉड्यूलेटर में 100 गीगाहर्ट्ज से अधिक अल्ट्रा-हाई मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ की क्षमता हो सकती है।

चित्र 1 (ए) गणना मोड वितरण और एलएन वेवगाइड के क्रॉस-सेक्शन की छवि (बी)

चित्र 2 (ए) वेवगाइड और इलेक्ट्रोड संरचना और (बी) एलएन मॉड्यूलेटर का कोरप्लेट

पारंपरिक लिथियम नाइओबेट वाणिज्यिक मॉड्यूलेटर, सिलिकॉन-आधारित मॉड्यूलेटर और इंडियम फॉस्फाइड (आईएनपी) मॉड्यूलेटर और अन्य मौजूदा हाई-स्पीड इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर के साथ पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट मॉड्यूलेटर की तुलना, तुलना के मुख्य मापदंडों में शामिल हैं:
(1) अर्ध-तरंग वोल्ट-लंबाई उत्पाद (वीπ·एल, वी·सेमी), मॉड्यूलेटर की मॉड्यूलेशन दक्षता को मापता है, मूल्य जितना छोटा होगा, मॉड्यूलेशन दक्षता उतनी ही अधिक होगी;
(2) 3 डीबी मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ (जीएचजेड), जो उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन के लिए मॉड्यूलेटर की प्रतिक्रिया को मापता है;
(3) मॉड्यूलेशन क्षेत्र में ऑप्टिकल इंसर्शन लॉस (डीबी)। तालिका से देखा जा सकता है कि पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट मॉड्यूलेटर के मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, हाफ-वेव वोल्टेज, ऑप्टिकल इंटरपोलेशन लॉस आदि में स्पष्ट फायदे हैं।

सिलिकॉन, एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की आधारशिला के रूप में, अब तक विकसित किया गया है, प्रक्रिया परिपक्व है, इसका लघुकरण सक्रिय/निष्क्रिय उपकरणों के बड़े पैमाने पर एकीकरण के लिए अनुकूल है, और इसके मॉड्यूलेटर का ऑप्टिकल के क्षेत्र में व्यापक और गहराई से अध्ययन किया गया है। संचार। सिलिकॉन का इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन तंत्र मुख्य रूप से वाहक डिप्लिंग-टियन, वाहक इंजेक्शन और वाहक संचय है। उनमें से, मॉड्यूलर की बैंडविड्थ रैखिक डिग्री वाहक कमी तंत्र के साथ इष्टतम है, लेकिन क्योंकि ऑप्टिकल क्षेत्र वितरण कमी क्षेत्र की गैर-एकरूपता के साथ ओवरलैप होता है, यह प्रभाव गैर-रेखीय दूसरे क्रम के विरूपण और तीसरे क्रम के इंटरमॉड्यूलेशन विरूपण का परिचय देगा। शर्तें, प्रकाश पर वाहक के अवशोषण प्रभाव के साथ मिलकर, जिससे ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन आयाम और सिग्नल विरूपण में कमी आएगी।

InP मॉड्यूलेटर में उत्कृष्ट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव होते हैं, और मल्टी-लेयर क्वांटम वेल संरचना 0.156V · मिमी तक Vπ·L के साथ अल्ट्रा-उच्च दर और कम ड्राइविंग वोल्टेज मॉड्यूलेटर का एहसास कर सकती है। हालाँकि, विद्युत क्षेत्र के साथ अपवर्तक सूचकांक की भिन्नता में रैखिक और अरेखीय शब्द शामिल हैं, और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता में वृद्धि से दूसरे क्रम का प्रभाव प्रमुख हो जाएगा। इसलिए, सिलिकॉन और InP इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर को काम करते समय पीएन जंक्शन बनाने के लिए पूर्वाग्रह लागू करने की आवश्यकता होती है, और पीएन जंक्शन प्रकाश में अवशोषण हानि लाएगा। हालाँकि, इन दोनों का मॉड्यूलेटर आकार छोटा है, वाणिज्यिक InP मॉड्यूलेटर का आकार LN मॉड्यूलेटर का 1/4 है। उच्च मॉड्यूलेशन दक्षता, उच्च घनत्व और कम दूरी के डिजिटल ऑप्टिकल ट्रांसमिशन नेटवर्क जैसे डेटा सेंटर के लिए उपयुक्त। लिथियम नाइओबेट के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव में कोई प्रकाश अवशोषण तंत्र और कम नुकसान नहीं होता है, जो लंबी दूरी के सुसंगत के लिए उपयुक्त हैऑप्टिकल संचारबड़ी क्षमता और उच्च दर के साथ. माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग में, Si और InP के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक गैर-रेखीय होते हैं, जो माइक्रोवेव फोटॉन प्रणाली के लिए उपयुक्त नहीं है जो उच्च रैखिकता और बड़ी गतिशीलता का अनुसरण करता है। लिथियम नाइओबेट सामग्री पूरी तरह से रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशन गुणांक के कारण माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग के लिए बहुत उपयुक्त है।