उच्च समाकलित पातळ फिल्म लिथियम निओबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटर

उच्च रेखीयताइलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटरआणि मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोग
कम्युनिकेशन सिस्टमच्या वाढत्या आवश्यकतांसह, सिग्नलच्या प्रसारण कार्यक्षमतेत आणखी सुधारणा करण्यासाठी, लोक पूरक फायदे मिळविण्यासाठी फोटॉन आणि इलेक्ट्रॉनचे फ्यूज करतील आणि मायक्रोवेव्ह फोटोनिक्सचा जन्म होईल. इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटर विजेच्या प्रकाशात परिवर्तन करण्यासाठी आवश्यक आहेमायक्रोवेव्ह फोटोनिक प्रणाली, आणि ही मुख्य पायरी सामान्यतः संपूर्ण प्रणालीचे कार्यप्रदर्शन निर्धारित करते. रेडिओ फ्रिक्वेन्सी सिग्नलचे ऑप्टिकल डोमेनमध्ये रूपांतर करणे ही एक ॲनालॉग सिग्नल प्रक्रिया आहे आणि सामान्यइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटरअंतर्निहित नॉनलाइनरिटी आहे, रूपांतरण प्रक्रियेत गंभीर सिग्नल विकृती आहे. अंदाजे रेखीय मॉड्युलेशन साध्य करण्यासाठी, मॉड्युलेटरचा ऑपरेटिंग पॉइंट सामान्यतः ऑर्थोगोनल बायस पॉइंटवर निश्चित केला जातो, परंतु तरीही तो मॉड्युलेटरच्या रेखीयतेसाठी मायक्रोवेव्ह फोटॉन लिंकची आवश्यकता पूर्ण करू शकत नाही. उच्च रेखीयतेसह इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटर्सची तातडीने आवश्यकता आहे.

सिलिकॉन मटेरियलचे हाय-स्पीड रिफ्रॅक्टिव्ह इंडेक्स मॉड्युलेशन सामान्यत: फ्री कॅरियर प्लाझ्मा डिस्पर्शन (FCD) प्रभावाने साध्य केले जाते. FCD प्रभाव आणि PN जंक्शन मॉड्युलेशन दोन्ही नॉनलाइनर आहेत, ज्यामुळे सिलिकॉन मॉड्युलेटर लिथियम नायोबेट मॉड्युलेटरपेक्षा कमी रेषीय बनते. लिथियम niobate साहित्य उत्कृष्ट प्रदर्शनइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशनत्यांच्या पुकर प्रभावामुळे गुणधर्म. त्याच वेळी, लिथियम नायोबेट सामग्रीमध्ये मोठी बँडविड्थ, चांगली मॉड्युलेशन वैशिष्ट्ये, कमी तोटा, सेमीकंडक्टर प्रक्रियेसह सुलभ एकीकरण आणि सुसंगतता, सिलिकॉनच्या तुलनेत उच्च-कार्यक्षमता इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटर बनविण्यासाठी पातळ फिल्म लिथियम नायोबेटचा वापर असे फायदे आहेत. जवळजवळ "लहान प्लेट" नाही, परंतु उच्च रेखीयता प्राप्त करण्यासाठी देखील. थिन फिल्म लिथियम निओबेट (LNOI) इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटर वरील इन्सुलेटर ही एक आशादायक विकासाची दिशा बनली आहे. पातळ फिल्म लिथियम निओबेट मटेरियल तयार करण्याचे तंत्रज्ञान आणि वेव्हगाइड एचिंग तंत्रज्ञानाच्या विकासासह, उच्च रूपांतरण कार्यक्षमता आणि पातळ फिल्म लिथियम निओबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटरचे उच्च एकत्रीकरण हे आंतरराष्ट्रीय शैक्षणिक आणि उद्योगाचे क्षेत्र बनले आहे.

पातळ फिल्म लिथियम निओबेटची वैशिष्ट्ये
युनायटेड स्टेट्समध्ये डीएपी एआर प्लॅनिंगमध्ये लिथियम निओबेट सामग्रीचे खालील मूल्यमापन केले गेले आहे: जर इलेक्ट्रॉनिक क्रांतीच्या केंद्राला सिलिकॉन सामग्रीचे नाव दिले गेले आहे जे ते शक्य करते, तर फोटोनिक्स क्रांतीचे जन्मस्थान लिथियम निओबेटच्या नावावर ठेवण्याची शक्यता आहे. . याचे कारण असे की लिथियम निओबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल इफेक्ट, अकोस्टो-ऑप्टिकल इफेक्ट, पीझोइलेक्ट्रिक प्रभाव, थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव आणि फोटोरेफ्रॅक्टिव्ह इफेक्ट एकामध्ये एकत्रित करते, जसे ऑप्टिक्सच्या क्षेत्रातील सिलिकॉन सामग्री.

ऑप्टिकल ट्रान्समिशन वैशिष्ट्यांच्या बाबतीत, सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या 1550nm बँडमध्ये प्रकाश शोषल्यामुळे InP सामग्रीमध्ये सर्वात जास्त ऑन-चिप ट्रान्समिशन नुकसान होते. SiO2 आणि सिलिकॉन नायट्राइडमध्ये सर्वोत्तम ट्रान्समिशन वैशिष्ट्ये आहेत आणि तोटा ~ 0.01dB/cm च्या पातळीपर्यंत पोहोचू शकतो; सध्या, पातळ-फिल्म लिथियम नायोबेट वेव्हगाइडचे नुकसान 0.03dB/सेमी पातळीपर्यंत पोहोचू शकते, आणि पातळ-फिल्म लिथियम नायोबेट वेव्हगाइडचे नुकसान तंत्रज्ञानाच्या पातळीच्या सतत सुधारणेसह आणखी कमी होण्याची क्षमता आहे. भविष्य त्यामुळे, पातळ फिल्म लिथियम नायोबेट सामग्री प्रकाशसंश्लेषण मार्ग, शंट आणि मायक्रोरिंग सारख्या निष्क्रिय प्रकाश संरचनांसाठी चांगली कार्यक्षमता दर्शवेल.

प्रकाश निर्मितीच्या बाबतीत, फक्त InP मध्ये थेट प्रकाश उत्सर्जित करण्याची क्षमता आहे; म्हणून, मायक्रोवेव्ह फोटॉन्सच्या वापरासाठी, बॅकलोडिंग वेल्डिंग किंवा एपिटॅक्सियल ग्रोथच्या मार्गाने LNOI आधारित फोटोनिक इंटिग्रेटेड चिपवर InP आधारित प्रकाश स्रोत सादर करणे आवश्यक आहे. लाईट मॉड्युलेशनच्या संदर्भात, वर जोर देण्यात आला आहे की पातळ फिल्म लिथियम नायोबेट मटेरिअल मोठ्या मॉड्युलेशन बँडविड्थ, कमी हाफ-वेव्ह व्होल्टेज आणि InP आणि Si पेक्षा कमी ट्रान्समिशन लॉस मिळवणे सोपे आहे. शिवाय, पातळ फिल्म लिथियम निओबेट सामग्रीच्या इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशनची उच्च रेखीयता सर्व मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगांसाठी आवश्यक आहे.

ऑप्टिकल राउटिंगच्या बाबतीत, पातळ फिल्म लिथियम निओबेट सामग्रीचा हाय स्पीड इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रतिसाद LNOI आधारित ऑप्टिकल स्विचला हाय-स्पीड ऑप्टिकल रूटिंग स्विचिंग करण्यास सक्षम बनवतो आणि अशा हाय-स्पीड स्विचिंगचा वीज वापर देखील खूप कमी असतो. एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या विशिष्ट वापरासाठी, ऑप्टिकली नियंत्रित बीमफॉर्मिंग चिपमध्ये वेगवान बीम स्कॅनिंगच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी उच्च-स्पीड स्विचिंगची क्षमता आहे आणि अल्ट्रा-लो पॉवर वापरण्याची वैशिष्ट्ये मोठ्या प्रमाणातील कठोर आवश्यकतांशी जुळवून घेतली जातात. -स्केल टप्प्याटप्प्याने ॲरे सिस्टम. जरी InP आधारित ऑप्टिकल स्विच हाय-स्पीड ऑप्टिकल पाथ स्विचिंग देखील ओळखू शकतो, तो मोठा आवाज आणेल, विशेषत: जेव्हा मल्टीलेव्हल ऑप्टिकल स्विच कॅसकेड केला जातो तेव्हा आवाज गुणांक गंभीरपणे खराब होईल. सिलिकॉन, SiO2 आणि सिलिकॉन नायट्राइड सामग्री केवळ थर्मो-ऑप्टिकल प्रभाव किंवा वाहक फैलाव प्रभावाद्वारे ऑप्टिकल मार्ग स्विच करू शकतात, ज्यामध्ये उच्च उर्जा वापर आणि स्लो स्विचिंग गतीचे तोटे आहेत. जेव्हा टप्प्याटप्प्याने ॲरेचा आकार मोठा असतो, तेव्हा तो वीज वापराच्या गरजा पूर्ण करू शकत नाही.

ऑप्टिकल प्रवर्धनाच्या दृष्टीने, दसेमीकंडक्टर ऑप्टिकल ॲम्प्लीफायर (SOA) InP वर आधारित व्यावसायिक वापरासाठी परिपक्व आहे, परंतु त्यात उच्च आवाज गुणांक आणि कमी संपृक्तता आउटपुट पॉवरचे तोटे आहेत, जे मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या वापरासाठी अनुकूल नाही. नियतकालिक सक्रियकरण आणि उलथापालथ यावर आधारित पातळ-फिल्म लिथियम निओबेट वेव्हगाइडची पॅरामेट्रिक प्रवर्धन प्रक्रिया कमी आवाज आणि उच्च पॉवर ऑन-चिप ऑप्टिकल ॲम्प्लिफिकेशन साध्य करू शकते, जी ऑन-चिप ऑप्टिकल ॲम्प्लीफिकेशनसाठी एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या आवश्यकता पूर्ण करू शकते.

प्रकाश शोधण्याच्या दृष्टीने, पातळ फिल्म लिथियम निओबेटमध्ये 1550 एनएम बँडमध्ये प्रकाशासाठी चांगली ट्रान्समिशन वैशिष्ट्ये आहेत. फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरणाचे कार्य लक्षात येऊ शकत नाही, म्हणून मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगांसाठी, चिपवरील फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरणाच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी. InGaAs किंवा Ge-Si डिटेक्शन युनिट्स LNOI आधारित फोटोनिक इंटिग्रेटेड चिप्सवर बॅकलोडिंग वेल्डिंग किंवा एपिटॅक्सियल ग्रोथद्वारे सादर करणे आवश्यक आहे. ऑप्टिकल फायबरसह कपलिंगच्या बाबतीत, ऑप्टिकल फायबर स्वतः SiO2 सामग्री असल्यामुळे, SiO2 वेव्हगाइडच्या मोड फील्डमध्ये ऑप्टिकल फायबरच्या मोड फील्डशी सर्वोच्च जुळणारी पदवी आहे आणि कपलिंग सर्वात सोयीस्कर आहे. पातळ फिल्म लिथियम निओबेटच्या जोरदार प्रतिबंधित वेव्हगाइडचा मोड फील्ड व्यास सुमारे 1μm आहे, जो ऑप्टिकल फायबरच्या मोड फील्डपेक्षा खूप वेगळा आहे, त्यामुळे ऑप्टिकल फायबरच्या मोड फील्डशी जुळण्यासाठी योग्य मोड स्पॉट ट्रान्सफॉर्मेशन केले जाणे आवश्यक आहे.

एकत्रीकरणाच्या दृष्टीने, विविध सामग्रीमध्ये उच्च एकीकरण क्षमता आहे की नाही हे प्रामुख्याने वेव्हगाइडच्या बेंडिंग त्रिज्यावर अवलंबून असते (वेव्हगाइड मोड फील्डच्या मर्यादेमुळे प्रभावित). जोरदार प्रतिबंधित वेव्हगाइड लहान झुकण्याची त्रिज्या अनुमती देते, जे उच्च एकत्रीकरणाच्या प्राप्तीसाठी अधिक अनुकूल आहे. म्हणून, पातळ-फिल्म लिथियम निओबेट वेव्हगाइड्समध्ये उच्च एकीकरण प्राप्त करण्याची क्षमता आहे. म्हणून, पातळ फिल्म लिथियम निओबेट दिसण्यामुळे लिथियम निओबेट सामग्रीला खरोखर ऑप्टिकल "सिलिकॉन" ची भूमिका बजावणे शक्य होते. मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या वापरासाठी, पातळ फिल्म लिथियम निओबेटचे फायदे अधिक स्पष्ट आहेत.