पतली फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री और पतली फिल्म लिथियम नायोबेट मॉड्यूलेटर

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

माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकीमाइक्रोवेव फोटॉन में व्यापक कार्यशील बैंडविड्थ, मजबूत समानांतर प्रसंस्करण क्षमता और कम संचरण हानि जैसे लाभ हैं, जो पारंपरिक माइक्रोवेव प्रणाली की तकनीकी बाधाओं को दूर करने और रडार, इलेक्ट्रॉनिक युद्ध, संचार और माप एवं नियंत्रण जैसे सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना उपकरणों के प्रदर्शन में सुधार करने की क्षमता रखते हैं। हालांकि, असतत उपकरणों पर आधारित माइक्रोवेव फोटॉन प्रणाली में कुछ समस्याएं हैं जैसे कि बड़ा आकार, भारी वजन और कम स्थिरता, जो अंतरिक्ष और हवाई प्लेटफार्मों में माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग को गंभीर रूप से सीमित करती हैं। इसलिए, एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना प्रणाली में माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग को व्यापक बनाने और माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के लाभों का पूर्ण उपयोग करने के लिए एक महत्वपूर्ण आधार बन रही है।

वर्तमान में, ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में वर्षों के विकास के बाद SI-आधारित फोटोनिक एकीकरण तकनीक और INP-आधारित फोटोनिक एकीकरण तकनीक अधिक से अधिक परिपक्व हो चुकी हैं और कई उत्पाद बाजार में आ चुके हैं। हालांकि, माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग के लिए, इन दोनों प्रकार की फोटॉन एकीकरण तकनीकों में कुछ समस्याएं हैं: उदाहरण के लिए, Si मॉडुलेटर और InP मॉडुलेटर का अरैखिक विद्युत-प्रकाशिक गुणांक माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक द्वारा अपेक्षित उच्च रैखिकता और व्यापक गतिशील विशेषताओं के विपरीत है; उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल पथ स्विचिंग को साकार करने वाला सिलिकॉन ऑप्टिकल स्विच, चाहे वह थर्मल-ऑप्टिकल प्रभाव, पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव या वाहक इंजेक्शन फैलाव प्रभाव पर आधारित हो, धीमी स्विचिंग गति, बिजली की खपत और ऊष्मा की खपत जैसी समस्याओं से ग्रस्त है, जो तीव्र बीम स्कैनिंग और बड़े सरणी पैमाने के माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों को पूरा नहीं कर सकता है।

लिथियम नायोबेट हमेशा से ही उच्च गति के लिए पहली पसंद रहा है।इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशनअपने उत्कृष्ट रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव के कारण सामग्री। हालाँकि, पारंपरिक लिथियम नायोबेटइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटरयह उपकरण लिथियम नायोबेट क्रिस्टल की विशाल सामग्री से बना है, और इसका आकार बहुत बड़ा है, जो एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकता। रैखिक विद्युत-प्रकाशिक गुणांक वाले लिथियम नायोबेट पदार्थों को एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी प्रणाली में एकीकृत करना संबंधित शोधकर्ताओं का लक्ष्य बन गया है। 2018 में, संयुक्त राज्य अमेरिका के हार्वर्ड विश्वविद्यालय के एक शोध दल ने नेचर पत्रिका में पतली फिल्म लिथियम नायोबेट पर आधारित फोटोनिक एकीकरण प्रौद्योगिकी की पहली रिपोर्ट प्रकाशित की। इस प्रौद्योगिकी में उच्च एकीकरण, व्यापक विद्युत-प्रकाशिक मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ और विद्युत-प्रकाशिक प्रभाव की उच्च रैखिकता जैसे लाभ हैं, इसलिए लॉन्च होते ही इसने फोटोनिक एकीकरण और माइक्रोवेव फोटोनिक्स के क्षेत्र में अकादमिक और औद्योगिक ध्यान आकर्षित किया। माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग के परिप्रेक्ष्य से, यह शोधपत्र माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी के विकास पर पतली फिल्म लिथियम नायोबेट पर आधारित फोटॉन एकीकरण प्रौद्योगिकी के प्रभाव और महत्व की समीक्षा करता है।

पतली फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री और पतली फिल्मलिथियम नायोबेट मॉड्यूलेटर
पिछले दो वर्षों में, लिथियम नायोबेट पदार्थ का एक नया प्रकार सामने आया है, अर्थात् लिथियम नायोबेट फिल्म को "आयन स्लाइसिंग" विधि द्वारा विशाल लिथियम नायोबेट क्रिस्टल से अलग किया जाता है और सिलिका बफर परत के साथ Si वेफर से जोड़ा जाता है ताकि LNOI (LiNbO3-ऑन-इंसुलेटर) पदार्थ [5] बन सके, जिसे इस पेपर में पतली फिल्म लिथियम नायोबेट पदार्थ कहा गया है। अनुकूलित शुष्क नक़्क़ाशी प्रक्रिया द्वारा पतली फिल्म लिथियम नायोबेट पदार्थों पर 100 नैनोमीटर से अधिक ऊँचाई वाले रिज वेवगाइड्स को उकेरा जा सकता है, और निर्मित वेवगाइड्स का प्रभावी अपवर्तक सूचकांक अंतर 0.8 से अधिक तक पहुँच सकता है (पारंपरिक लिथियम नायोबेट वेवगाइड्स के 0.02 के अपवर्तक सूचकांक अंतर से कहीं अधिक), जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। अत्यधिक प्रतिबंधित वेवगाइड मॉड्यूलेटर को डिज़ाइन करते समय प्रकाश क्षेत्र को माइक्रोवेव क्षेत्र के साथ मिलाना आसान बनाता है। इसलिए, कम लंबाई में कम अर्ध-तरंग वोल्टेज और अधिक मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ प्राप्त करना फायदेमंद है।

कम हानि वाले लिथियम नायोबेट सबमाइक्रोन वेवगाइड के विकास ने पारंपरिक लिथियम नायोबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर के उच्च ड्राइविंग वोल्टेज की बाधा को दूर कर दिया है। इलेक्ट्रोड की दूरी को लगभग 5 μm तक कम किया जा सकता है, जिससे विद्युत क्षेत्र और ऑप्टिकल मोड क्षेत्र के बीच ओवरलैप काफी बढ़ जाता है और vπ ·L का मान 20 V·cm से घटकर 2.8 V·cm से भी कम हो जाता है। इसलिए, समान अर्ध-तरंग वोल्टेज पर, पारंपरिक मॉड्यूलेटर की तुलना में उपकरण की लंबाई को काफी कम किया जा सकता है। साथ ही, चित्र में दिखाए अनुसार, यात्रा तरंग इलेक्ट्रोड की चौड़ाई, मोटाई और अंतराल के मापदंडों को अनुकूलित करने के बाद, मॉड्यूलेटर 100 GHz से अधिक की अति-उच्च मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ प्राप्त कर सकता है।

चित्र 1 (a) परिकलित मोड वितरण और (b) एलएन वेवगाइड के अनुप्रस्थ काट का चित्र

चित्र 2 (a) वेवगाइड और इलेक्ट्रोड संरचना तथा (b) एलएन मॉड्यूलेटर की कोरप्लेट

थिन फिल्म लिथियम नायोबेट मॉड्युलेटर की तुलना पारंपरिक लिथियम नायोबेट वाणिज्यिक मॉड्युलेटर, सिलिकॉन-आधारित मॉड्युलेटर, इंडियम फॉस्फाइड (InP) मॉड्युलेटर और अन्य मौजूदा उच्च-गति वाले इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटर से की गई है। तुलना के मुख्य मापदंडों में निम्नलिखित शामिल हैं:
(1) अर्ध-तरंग वोल्ट-लंबाई उत्पाद (vπ ·L, V·cm), मॉड्यूलेटर की मॉड्यूलेशन दक्षता को मापना, मान जितना छोटा होगा, मॉड्यूलेशन दक्षता उतनी ही अधिक होगी;
(2) 3 डीबी मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ (GHz), जो उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन के लिए मॉड्यूलेटर की प्रतिक्रिया को मापता है;
(3) मॉड्यूलेशन क्षेत्र में ऑप्टिकल इंसर्शन लॉस (dB)। तालिका से देखा जा सकता है कि पतली फिल्म लिथियम नायोबेट मॉड्यूलेटर में मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, हाफ-वेव वोल्टेज, ऑप्टिकल इंटरपोलेशन लॉस आदि में स्पष्ट लाभ हैं।

एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की आधारशिला के रूप में सिलिकॉन का अब तक काफी विकास हो चुका है, इसकी प्रक्रिया परिपक्व है, इसका लघुकरण सक्रिय/निष्क्रिय उपकरणों के बड़े पैमाने पर एकीकरण के लिए अनुकूल है, और ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में इसके मॉड्यूलेटर का व्यापक और गहन अध्ययन किया गया है। सिलिकॉन की इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन क्रियाविधि मुख्य रूप से वाहक क्षय, वाहक सम्मिलन और वाहक संचय पर आधारित है। इनमें से, मॉड्यूलेटर की बैंडविड्थ रैखिक डिग्री वाहक क्षय क्रियाविधि के साथ इष्टतम होती है, लेकिन ऑप्टिकल क्षेत्र वितरण के क्षय क्षेत्र की गैर-समानता के साथ ओवरलैप होने के कारण, यह प्रभाव गैर-रैखिक द्वितीय-क्रम विरूपण और तृतीय-क्रम अंतर-मॉड्यूलेशन विरूपण पदों को उत्पन्न करता है, साथ ही प्रकाश पर वाहक के अवशोषण प्रभाव के कारण, ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन आयाम में कमी और सिग्नल विरूपण होता है।

InP मॉड्यूलेटर में उत्कृष्ट विद्युत-प्रकाशिक प्रभाव होते हैं, और बहु-परत क्वांटम वेल संरचना 0.156V·mm तक Vπ·L के साथ अति-उच्च दर और कम ड्राइविंग वोल्टेज मॉड्यूलेटर को साकार कर सकती है। हालांकि, विद्युत क्षेत्र के साथ अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन में रैखिक और अरैखिक पद शामिल होते हैं, और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता में वृद्धि द्वितीय-क्रम प्रभाव को प्रमुख बना देगी। इसलिए, सिलिकॉन और InP विद्युत-प्रकाशिक मॉड्यूलेटरों को काम करते समय pn जंक्शन बनाने के लिए बायस लगाने की आवश्यकता होती है, और pn जंक्शन प्रकाश के अवशोषण हानि का कारण बनता है। हालांकि, इन दोनों मॉड्यूलेटरों का आकार छोटा होता है, व्यावसायिक InP मॉड्यूलेटर का आकार LN मॉड्यूलेटर का 1/4 होता है। उच्च मॉड्यूलेशन दक्षता, डेटा केंद्रों जैसे उच्च घनत्व और कम दूरी के डिजिटल ऑप्टिकल ट्रांसमिशन नेटवर्क के लिए उपयुक्त है। लिथियम नायोबेट के विद्युत-प्रकाशिक प्रभाव में प्रकाश अवशोषण तंत्र नहीं होता है और हानि कम होती है, जो लंबी दूरी के सुसंगत संचरण के लिए उपयुक्त है।ऑप्टिकल संचारउच्च क्षमता और उच्च दर के साथ। माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग में, Si और InP के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक अरैखिक होते हैं, जो उच्च रैखिकता और उच्च गतिशीलता की मांग करने वाले माइक्रोवेव फोटॉन सिस्टम के लिए उपयुक्त नहीं है। लिथियम नायोबेट पदार्थ अपने पूर्णतः रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन गुणांक के कारण माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग के लिए बहुत उपयुक्त है।