पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट सामग्री और पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट मॉड्यूलेटर

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

माइक्रोवेव फोटॉन तकनीकबड़े कार्यशील बैंडविड्थ, मजबूत समानांतर प्रसंस्करण क्षमता और कम संचरण हानि के लाभों के साथ, एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक पारंपरिक माइक्रोवेव प्रणालियों की तकनीकी अड़चनों को तोड़ सकती है और रडार, इलेक्ट्रॉनिक युद्ध, संचार और मापन एवं नियंत्रण जैसे सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना उपकरणों के प्रदर्शन में सुधार कर सकती है। हालाँकि, असतत उपकरणों पर आधारित माइक्रोवेव फोटॉन प्रणाली में बड़े आकार, भारी वजन और खराब स्थिरता जैसी कुछ समस्याएं हैं, जो अंतरिक्ष और हवाई प्लेटफार्मों में माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक के अनुप्रयोग को गंभीर रूप से सीमित करती हैं। इसलिए, एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक सैन्य इलेक्ट्रॉनिक सूचना प्रणालियों में माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग को तोड़ने और माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक के लाभों को पूरी तरह से निभाने के लिए एक महत्वपूर्ण समर्थन 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 तकनीकें अधिक से अधिक परिपक्व हो गई हैं, और कई उत्पाद बाजार में उतारे गए हैं। हालाँकि, माइक्रोवेव फोटॉन के अनुप्रयोग के लिए, इन दोनों प्रकार की फोटॉन एकीकरण तकनीकों में कुछ समस्याएँ हैं: उदाहरण के लिए, Si मॉड्यूलेटर और InP मॉड्यूलेटर का अरैखिक विद्युत-ऑप्टिकल गुणांक माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक द्वारा अपनाई गई उच्च रैखिकता और बड़ी गतिशील विशेषताओं के विपरीत है; उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल पथ स्विचिंग को साकार करने वाले सिलिकॉन ऑप्टिकल स्विच, चाहे वह तापीय-ऑप्टिकल प्रभाव, पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव, या वाहक इंजेक्शन फैलाव प्रभाव पर आधारित हो, में धीमी स्विचिंग गति, बिजली की खपत और ऊष्मा की खपत जैसी समस्याएँ होती हैं, जो तेज़ बीम स्कैनिंग और बड़े पैमाने पर माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती हैं।

लिथियम नियोबेट हमेशा से ही उच्च गति वाले वाहनों के लिए पहली पसंद रहा है।इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशनउत्कृष्ट रैखिक विद्युत-प्रकाशीय प्रभाव के कारण, पारंपरिक लिथियम नियोबेट का उपयोग किया जाता है। हालाँकि, पारंपरिक लिथियम नियोबेटइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेटरबड़े पैमाने पर लिथियम नाइओबेट 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। एकीकृत माइक्रोवेव फोटॉन प्रौद्योगिकी प्रणाली में रैखिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक के साथ लिथियम नाइओबेट सामग्री को कैसे एकीकृत किया जाए, यह संबंधित शोधकर्ताओं का लक्ष्य बन गया है। 2018 में, संयुक्त राज्य अमेरिका में हार्वर्ड विश्वविद्यालय के एक शोध दल ने पहली बार नेचर में पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट पर आधारित फोटोनिक एकीकरण तकनीक की सूचना दी, क्योंकि तकनीक में उच्च एकीकरण, बड़े इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ और इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव की उच्च रैखिकता के फायदे हैं, एक बार लॉन्च होने के बाद, इसने तुरंत फोटोनिक एकीकरण और माइक्रोवेव फोटोनिक्स के क्षेत्र में शैक्षणिक और औद्योगिक ध्यान आकर्षित किया। माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग के दृष्टिकोण से, यह पत्र माइक्रोवेव फोटॉन तकनीक के विकास पर पतली फिल्म लिथियम नाइओबेट पर आधारित फोटॉन एकीकरण तकनीक के प्रभाव और महत्व की समीक्षा करता है।

पतली फिल्म लिथियम नियोबेट सामग्री और पतली फिल्मलिथियम नियोबेट मॉड्यूलेटर
हाल के दो वर्षों में, एक नए प्रकार की लिथियम नियोबेट सामग्री सामने आई है, यानी, लिथियम नियोबेट फिल्म को "आयन स्लाइसिंग" की विधि द्वारा बड़े पैमाने पर लिथियम नियोबेट क्रिस्टल से एक्सफोलिएट किया जाता है और एक सिलिका बफर परत के साथ Si वेफर से बंध कर LNOI (LiNbO3-On-Insulator) सामग्री बनाई जाती है [5], जिसे इस पेपर में पतली फिल्म लिथियम नियोबेट सामग्री कहा जाता है। 100 नैनोमीटर से अधिक की ऊंचाई वाले रिज वेवगाइड को अनुकूलित सूखी नक़्क़ाशी प्रक्रिया द्वारा पतली फिल्म लिथियम नियोबेट सामग्री पर उकेरा जा सकता है, और गठित वेवगाइड का प्रभावी अपवर्तक सूचकांक अंतर 0.8 से अधिक तक पहुंच सकता है (0.02 के पारंपरिक लिथियम नियोबेट वेवगाइड के अपवर्तक सूचकांक अंतर से कहीं अधिक), इस प्रकार, कम लम्बाई में कम अर्ध-तरंग वोल्टेज और बड़ी मॉडुलन बैंडविड्थ प्राप्त करना लाभदायक है।

कम हानि वाले लिथियम नाइओबेट सबमाइक्रोन वेवगाइड का आगमन पारंपरिक लिथियम नाइओबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर की उच्च चालक वोल्टेज की अड़चन को तोड़ता है। इलेक्ट्रोड अंतराल को ~ 5 माइक्रोन तक कम किया जा सकता है, और विद्युत क्षेत्र और ऑप्टिकल मोड क्षेत्र के बीच ओवरलैप बहुत बढ़ जाता है, और vπ·L 20 V·cm से अधिक से घटकर 2.8 V·cm से कम हो जाता है। इसलिए, समान अर्ध-तरंग वोल्टेज के तहत, पारंपरिक मॉड्यूलेटर की तुलना में उपकरण की लंबाई बहुत कम की जा सकती है। साथ ही, 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 GHz से अधिक अल्ट्रा-हाई मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ की क्षमता हो सकती है।

चित्र 1 (a) परिकलित मोड वितरण और (b) LN वेवगाइड के क्रॉस-सेक्शन की छवि

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

पारंपरिक लिथियम नाइओबेट वाणिज्यिक मॉड्यूलेटर, सिलिकॉन-आधारित मॉड्यूलेटर और इंडियम फॉस्फाइड (आईएनपी) मॉड्यूलेटर और अन्य मौजूदा उच्च गति वाले 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 (vπ ·L, V·cm), मॉड्यूलेटर की मॉड्यूलेशन दक्षता को मापना, मूल्य जितना छोटा होगा, मॉड्यूलेशन दक्षता उतनी ही अधिक होगी;
(2) 3 डीबी मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ (गीगाहर्ट्ज), 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 नियोबेट मॉड्यूलेटर के मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ, अर्ध-तरंग वोल्टेज, ऑप्टिकल इंटरपोलेशन लॉस आदि में स्पष्ट लाभ हैं।

एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स की आधारशिला के रूप में, सिलिकॉन का अब तक का विकास, प्रक्रिया परिपक्व है, इसका लघुकरण सक्रिय/निष्क्रिय उपकरणों के बड़े पैमाने पर एकीकरण के लिए अनुकूल है, और इसके मॉड्यूलेटर का ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में व्यापक और गहन अध्ययन किया गया है। सिलिकॉन का इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन तंत्र मुख्य रूप से वाहक अवक्षय, वाहक इंजेक्शन और वाहक संचयन है। उनमें से, मॉड्यूलेटर की बैंडविड्थ रैखिक डिग्री वाहक अवक्षय तंत्र के साथ इष्टतम है, लेकिन क्योंकि ऑप्टिकल क्षेत्र वितरण अवक्षय क्षेत्र की गैर-एकरूपता के साथ ओवरलैप होता है, यह प्रभाव गैर-रैखिक द्वितीय-क्रम विरूपण और तृतीय-क्रम इंटरमॉड्यूलेशन विरूपण पदों को पेश करेगा, साथ ही प्रकाश पर वाहक के अवशोषण प्रभाव के साथ, जिससे ऑप्टिकल मॉड्यूलेशन आयाम और सिग्नल विरूपण में कमी आएगी।

InP मॉड्यूलेटर में उत्कृष्ट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव होते हैं, और बहु-परत क्वांटम वेल संरचना 0.156V · mm तक Vπ·L के साथ अल्ट्रा-हाई रेट और कम ड्राइविंग वोल्टेज मॉड्यूलेटर का एहसास कर सकती है। हालांकि, विद्युत क्षेत्र के साथ अपवर्तक सूचकांक के परिवर्तन में रैखिक और गैर-रैखिक पद शामिल होते हैं, और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता में वृद्धि द्वितीय-क्रम प्रभाव को प्रमुख बनाएगी। इसलिए, सिलिकॉन और InP इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर को काम करते समय pn जंक्शन बनाने के लिए पूर्वाग्रह लागू करने की आवश्यकता होती है, और pn जंक्शन प्रकाश में अवशोषण हानि लाएगा। हालाँकि, इन दोनों के मॉड्यूलेटर का 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 उपयुक्तऑप्टिकल संचारबड़ी क्षमता और उच्च दर के साथ। माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग में, Si और InP के विद्युत-ऑप्टिकल गुणांक अरैखिक होते हैं, जो उच्च रैखिकता और उच्च गतिकी वाले माइक्रोवेव फोटॉन सिस्टम के लिए उपयुक्त नहीं है। लिथियम नियोबेट पदार्थ अपने पूर्णतः रैखिक विद्युत-ऑप्टिक मॉडुलन गुणांक के कारण माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोग के लिए बहुत उपयुक्त है।