पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री और पतली फिल्म लिथियम niobate मॉड्यूलेटर

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

माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकीबड़े कामकाजी बैंडविड्थ, मजबूत समानांतर प्रसंस्करण क्षमता और कम संचरण हानि के फायदे हैं, जिसमें पारंपरिक माइक्रोवेव सिस्टम की तकनीकी अड़चन को तोड़ने और रडार, इलेक्ट्रॉनिक युद्ध, संचार और माप और नियंत्रण जैसे सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना उपकरणों के प्रदर्शन में सुधार करने की क्षमता है। हालांकि, असतत उपकरणों पर आधारित माइक्रोवेव फोटॉन सिस्टम में कुछ समस्याएं हैं जैसे बड़ी मात्रा, भारी वजन और खराब स्थिरता, जो स्पेसबोर्न और एयरबोर्न प्लेटफार्मों में माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के आवेदन को गंभीरता से प्रतिबंधित करती है। इसलिए, एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना प्रणाली में माइक्रोवेव फोटॉन के आवेदन को तोड़ने और माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के लाभों को पूरा खेलने के लिए एक महत्वपूर्ण समर्थन बन रही है।

वर्तमान में, SI- आधारित फोटोनिक एकीकरण प्रौद्योगिकी और INP- आधारित फोटोनिक एकीकरण प्रौद्योगिकी ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में वर्षों के विकास के बाद अधिक से अधिक परिपक्व हो गई है, और बहुत सारे उत्पादों को बाजार में डाल दिया गया है। हालांकि, माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग के लिए, इन दो प्रकार की फोटॉन एकीकरण प्रौद्योगिकियों में कुछ समस्याएं हैं: उदाहरण के लिए, एसआई मॉड्यूलेटर और आईएनपी न्यूनाधिक के नॉनलाइनियर इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी द्वारा पीछा किए गए उच्च रैखिकता और बड़ी गतिशील विशेषताओं के विपरीत है; उदाहरण के लिए, सिलिकॉन ऑप्टिकल स्विच जो ऑप्टिकल पथ स्विचिंग का एहसास करता है, चाहे थर्मल-ऑप्टिकल प्रभाव, पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव, या वाहक इंजेक्शन फैलाव प्रभाव के आधार पर, धीमी गति से स्विचिंग गति, बिजली की खपत और गर्मी की खपत की समस्याएं होती हैं, जो फास्ट बीम स्कैनिंग और बड़े सरणी स्केल माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों को पूरा नहीं कर सकती हैं।

लिथियम niobate हमेशा उच्च गति के लिए पहली पसंद रहा हैइलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉडुलनसामग्री इसके उत्कृष्ट रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव के कारण। हालांकि, पारंपरिक लिथियम niobateइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल न्यूनाधिकबड़े पैमाने पर लिथियम niobate क्रिस्टल सामग्री से बना है, और डिवाइस का आकार बहुत बड़ा है, जो एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक की जरूरतों को पूरा नहीं कर सकता है। कैसे एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी प्रणाली में रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक के साथ लिथियम niobate सामग्री को एकीकृत करने के लिए 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 नीओबेट पर आधारित फोटोनिक एकीकरण तकनीक की सूचना दी, क्योंकि प्रौद्योगिकी में उच्च एकीकरण, बड़े इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, और इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव के उच्च रैखिकता के लाभ हैं, एक बार लॉन्च किया गया, यह तुरंत फोटॉनिक एकीकरण और माइक्रोवेव के लिए औद्योगिक ध्यान केंद्रित करता है। माइक्रोवेव फोटॉन एप्लिकेशन के परिप्रेक्ष्य से, यह पेपर माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के विकास पर पतली फिल्म लिथियम niobate पर आधारित फोटॉन एकीकरण प्रौद्योगिकी के प्रभाव और महत्व की समीक्षा करता है।

पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री और पतली फिल्मसंलयन
हाल के दो वर्षों में, एक नए प्रकार की लिथियम niobate सामग्री उभरी है, अर्थात्, लिथियम niobate फिल्म को "आयन स्लाइसिंग" की विधि द्वारा बड़े पैमाने पर लिथियम niobate क्रिस्टल से एक्सफोलिएट किया गया है और Si वेफर को एक सिलिका बफर लेयर के साथ बंधुआ (लिन्बो 3-ओन-इन-इन्सुलेटर) के रूप में बनाया गया है। 100 से अधिक नैनोमीटर की ऊंचाई के साथ रिज वेवगाइड्स को पतली फिल्म लिथियम niobate सामग्री पर अनुकूलित शुष्क नक़्क़ाशी प्रक्रिया के साथ खोद दिया जा सकता है, और गठित वेवगाइड्स के प्रभावी अपवर्तक सूचकांक अंतर 0.8 से अधिक तक पहुंच सकते हैं (0.02 के अपवर्तक इंडेक्स अंतर से अधिक से मेल खाते हैं। मॉड्यूलेटर डिजाइन करना। इस प्रकार, कम लंबाई में कम आधा-लहर वोल्टेज और बड़े मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ को प्राप्त करना फायदेमंद है।

कम नुकसान लिथियम niobate सबमाइक्रॉन वेवगाइड की उपस्थिति पारंपरिक लिथियम niobate इलेक्ट्रो-ऑप्टिक न्यूनाधिक के उच्च ड्राइविंग वोल्टेज की अड़चन को तोड़ती है। इलेक्ट्रोड रिक्ति को ~ 5 माइक्रोन तक कम किया जा सकता है, और विद्युत क्षेत्र और ऑप्टिकल मोड फ़ील्ड के बीच ओवरलैप बहुत बढ़ जाता है, और vπ · L 20 V · सेमी से अधिक 2.8 V · सेमी से कम हो जाता है। इसलिए, एक ही आधे-लहर वोल्टेज के तहत, पारंपरिक न्यूनाधिक की तुलना में डिवाइस की लंबाई को बहुत कम किया जा सकता है। एक ही समय में, यात्रा तरंग इलेक्ट्रोड की चौड़ाई, मोटाई और अंतराल के मापदंडों को अनुकूलित करने के बाद, जैसा कि आंकड़े में दिखाया गया है, मॉड्यूलेटर में 100 गीगाहर्ट्ज से अधिक अल्ट्रा-हाई मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ की क्षमता हो सकती है।

Fig.1） A） गणना मोड वितरण और （B） LN WaveGuide के क्रॉस-सेक्शन की छवि

Fig.2） A） WaveGuide और इलेक्ट्रोड संरचना और ln B） LN न्यूनाधिक का कोरप्लेट

पारंपरिक लिथियम niobate वाणिज्यिक मॉड्यूलेटर, सिलिकॉन-आधारित मॉड्यूलेटर और इंडियम फॉस्फाइड (INP) मॉड्यूलेटर और अन्य मौजूदा हाई-स्पीड इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर के साथ पतली फिल्म लिथियम niobate मॉड्यूलेटर की तुलना, तुलना के मुख्य मापदंडों में शामिल हैं:
(1) हाफ-वेव वोल्ट-लंबाई उत्पाद (V, · L, V · cm), मॉड्यूलेटर की मॉड्यूलेशन दक्षता को मापते हुए, मूल्य जितना छोटा होता है, मॉड्यूलेशन दक्षता अधिक होती है;
(2) 3 डीबी मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ (जीएचजेड), जो मॉड्यूलेटर की प्रतिक्रिया को उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन के लिए मापता है;
(3) मॉड्यूलेशन क्षेत्र में ऑप्टिकल सम्मिलन हानि (डीबी)। यह तालिका से देखा जा सकता है कि पतली फिल्म लिथियम niobate मॉड्यूलेटर के मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, हाफ-वेव वोल्टेज, ऑप्टिकल इंटरपोलेशन लॉस और इतने पर स्पष्ट लाभ हैं।

सिलिकॉन, एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की आधारशिला के रूप में, अब तक विकसित किया गया है, यह प्रक्रिया परिपक्व है, इसका लघुकरण सक्रिय/निष्क्रिय उपकरणों के बड़े पैमाने पर एकीकरण के लिए अनुकूल है, और इसके न्यूनाधिक को ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में व्यापक और गहराई से अध्ययन किया गया है। सिलिकॉन का इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन तंत्र मुख्य रूप से वाहक डीपलिंग-टियोन, वाहक इंजेक्शन और वाहक संचय है। उनमें से, मॉड्यूलेटर की बैंडविड्थ रैखिक डिग्री वाहक की कमी तंत्र के साथ इष्टतम है, लेकिन क्योंकि ऑप्टिकल क्षेत्र वितरण अवलोकन क्षेत्र की गैर-एकरूपता के साथ ओवरलैप करता है, यह प्रभाव नॉनलाइनर सेकंड-ऑर्डर डिस्टॉर्शन और थर्ड-ऑर्डर इंटरमॉड्यूलेशन की शर्तों का परिचय देगा, जो कि रिडक्शन के अवशोषण प्रभाव के साथ जुड़ा हुआ है, जो कि रिडक्शन का नेतृत्व करेगा।

INP मॉड्यूलेटर में बकाया इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव होते हैं, और मल्टी-लेयर क्वांटम वेल स्ट्रक्चर अल्ट्रा-हाई रेट और कम ड्राइविंग वोल्टेज मॉड्यूलेटर को vπ · l तक 0.156V · मिमी तक महसूस कर सकते हैं। हालांकि, विद्युत क्षेत्र के साथ अपवर्तक सूचकांक की भिन्नता में रैखिक और नॉनलाइनियर शब्द शामिल हैं, और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता में वृद्धि दूसरे-क्रम के प्रभाव को प्रमुख बना देगी। इसलिए, सिलिकॉन और INP इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर को काम करने पर PN जंक्शन बनाने के लिए पूर्वाग्रह लागू करने की आवश्यकता होती है, और PN जंक्शन प्रकाश में अवशोषण हानि लाएगा। हालांकि, इन दोनों का न्यूनाधिक आकार छोटा है, वाणिज्यिक INP मॉड्यूलेटर का आकार LN न्यूनाधिक का 1/4 है। उच्च मॉड्यूलेशन दक्षता, उच्च घनत्व और छोटी दूरी के लिए उपयुक्त डिजिटल ऑप्टिकल ट्रांसमिशन नेटवर्क जैसे डेटा सेंटर। लिथियम niobate के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव में कोई प्रकाश अवशोषण तंत्र और कम हानि नहीं है, जो लंबी दूरी के सुसंगत के लिए उपयुक्त हैऑप्टिकल संचारबड़ी क्षमता और उच्च दर के साथ। माइक्रोवेव फोटॉन एप्लिकेशन में, एसआई और आईएनपी के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक नॉनलाइनियर हैं, जो माइक्रोवेव फोटॉन सिस्टम के लिए उपयुक्त नहीं है जो उच्च रैखिकता और बड़ी गतिशीलता का पीछा करता है। लिथियम niobate सामग्री माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग के लिए बहुत उपयुक्त है क्योंकि इसके पूरी तरह से रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशन गुणांक है।