उच्च एकात्मिक पातळ फिल्म लिथियम नायोबाइट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटर

उच्च रेषीयताइलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटरआणि मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोग
संचार प्रणालींच्या वाढत्या गरजांमुळे, सिग्नलच्या प्रेषण कार्यक्षमतेत आणखी सुधारणा करण्यासाठी, लोक फोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन यांचे मिश्रण करून पूरक फायदे मिळवतील आणि मायक्रोवेव्ह फोटोनिक्सचा जन्म होईल. विजेचे प्रकाशात रूपांतर करण्यासाठी इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटरची आवश्यकता असते.मायक्रोवेव्ह फोटोनिक प्रणालीआणि ही महत्त्वाची पायरी सहसा संपूर्ण प्रणालीची कार्यक्षमता ठरवते. रेडिओ फ्रिक्वेन्सी सिग्नलचे ऑप्टिकल डोमेनमध्ये रूपांतरण ही एक ॲनालॉग सिग्नल प्रक्रिया असल्याने, आणि सामान्यतःइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटरत्यामध्ये अंगभूत अरैखिकता असते, ज्यामुळे रूपांतरण प्रक्रियेत गंभीर सिग्नल विकृती निर्माण होते. अंदाजे रेषीय मॉड्युलेशन साध्य करण्यासाठी, मॉड्युलेटरचा ऑपरेटिंग पॉईंट सामान्यतः ऑर्थोगोनल बायस पॉईंटवर निश्चित केला जातो, परंतु तरीही तो मॉड्युलेटरच्या रेषीयतेसाठी मायक्रोवेव्ह फोटॉन लिंकच्या आवश्यकता पूर्ण करू शकत नाही. उच्च रेषीयता असलेल्या इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटर्सची तातडीने गरज आहे.

सिलिकॉन पदार्थांचे उच्च-गती अपवर्तक निर्देशांक मॉड्युलेशन सामान्यतः फ्री कॅरियर प्लाझ्मा डिस्पर्शन (FCD) प्रभावाने साध्य केले जाते. FCD प्रभाव आणि PN जंक्शन मॉड्युलेशन दोन्ही नॉन-लिनियर आहेत, ज्यामुळे सिलिकॉन मॉड्युलेटर लिथियम नायोबेट मॉड्युलेटरपेक्षा कमी लिनियर बनतो. लिथियम नायोबेट पदार्थ उत्कृष्टता दर्शवतात.इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशनत्यांच्या पकर इफेक्टमुळे (Pucker effect) गुणधर्म प्राप्त होतात. त्याच वेळी, लिथियम नायोबेट मटेरियलमध्ये मोठी बँडविड्थ, चांगली मॉड्युलेशन वैशिष्ट्ये, कमी नुकसान, सुलभ एकत्रीकरण आणि सेमीकंडक्टर प्रक्रियेशी सुसंगतता असे फायदे आहेत. उच्च-कार्यक्षम इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटर बनवण्यासाठी थिन फिल्म लिथियम नायोबेटचा वापर केल्यास, सिलिकॉनच्या तुलनेत जवळजवळ कोणतीही "शॉर्ट प्लेट" आढळत नाही, तसेच उच्च लिनिअरिटी देखील प्राप्त होते. इन्सुलेटरवरील थिन फिल्म लिथियम नायोबेट (LNOI) इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटर ही एक आशादायक विकासाची दिशा बनली आहे. थिन फिल्म लिथियम नायोबेट मटेरियल तयार करण्याचे तंत्रज्ञान आणि वेव्हगाईड एचिंग तंत्रज्ञानाच्या विकासामुळे, थिन फिल्म लिथियम नायोबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटरची उच्च रूपांतरण कार्यक्षमता आणि उच्च एकत्रीकरण हे आंतरराष्ट्रीय शिक्षण आणि उद्योगाचे क्षेत्र बनले आहे.

पातळ फिल्म लिथियम नायोबेटची वैशिष्ट्ये
अमेरिकेतील डीएपी एआर प्लॅनिंगने लिथियम नायोबेट सामग्रीचे खालीलप्रमाणे मूल्यांकन केले आहे: जर इलेक्ट्रॉनिक क्रांतीच्या केंद्राचे नाव तिला शक्य करणाऱ्या सिलिकॉन सामग्रीवरून ठेवले जात असेल, तर फोटोनिक्स क्रांतीच्या जन्मस्थानाचे नाव बहुधा लिथियम नायोबेटवरून ठेवले जाईल. याचे कारण असे की, ऑप्टिक्सच्या क्षेत्रातील सिलिकॉन सामग्रीप्रमाणेच, लिथियम नायोबेटमध्ये इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव, अ‍ॅक्युस्टो-ऑप्टिकल प्रभाव, पिझोइलेक्ट्रिक प्रभाव, थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव आणि फोटोरिफ्रॅक्टिव्ह प्रभाव हे सर्व एकत्रितपणे आढळतात.

ऑप्टिकल ट्रान्समिशन वैशिष्ट्यांच्या बाबतीत, सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या १५५०nm बँडमधील प्रकाशाच्या शोषणामुळे InP मटेरियलमध्ये सर्वात जास्त ऑन-चिप ट्रान्समिशन लॉस असतो. SiO2 आणि सिलिकॉन नायट्राइडमध्ये सर्वोत्तम ट्रान्समिशन वैशिष्ट्ये आहेत आणि लॉस ~ ०.०१dB/cm च्या पातळीपर्यंत पोहोचू शकतो; सध्या, थिन-फिल्म लिथियम नायोबेट वेव्हगाइडचा लॉस ०.०३dB/cm च्या पातळीपर्यंत पोहोचू शकतो आणि भविष्यात तांत्रिक पातळीत सतत सुधारणा झाल्यामुळे थिन-फिल्म लिथियम नायोबेट वेव्हगाइडचा लॉस आणखी कमी होण्याची शक्यता आहे. त्यामुळे, थिन-फिल्म लिथियम नायोबेट मटेरियल प्रकाशसंश्लेषण मार्ग, शंट आणि मायक्रोरिंग यांसारख्या पॅसिव्ह लाइट स्ट्रक्चर्ससाठी चांगली कामगिरी दर्शवेल.

प्रकाश निर्मितीच्या बाबतीत, केवळ InP मध्येच थेट प्रकाश उत्सर्जित करण्याची क्षमता आहे; त्यामुळे, मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या उपयोगासाठी, बॅकलोडिंग वेल्डिंग किंवा एपिटॅक्सियल ग्रोथच्या मार्गाने LNOI आधारित फोटोनिक इंटिग्रेटेड चिपवर InP आधारित प्रकाश स्रोत स्थापित करणे आवश्यक आहे. प्रकाश मॉड्युलेशनच्या बाबतीत, वर जोर देण्यात आला आहे की, InP आणि Si च्या तुलनेत पातळ फिल्म लिथियम नायोबेट मटेरियलमध्ये मोठी मॉड्युलेशन बँडविड्थ, कमी हाफ-वेव्ह व्होल्टेज आणि कमी ट्रान्समिशन लॉस मिळवणे अधिक सोपे आहे. शिवाय, पातळ फिल्म लिथियम नायोबेट मटेरियलच्या इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशनची उच्च रेषीयता सर्व मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगांसाठी आवश्यक आहे.

ऑप्टिकल रूटिंगच्या बाबतीत, पातळ फिल्म लिथियम नायोबाइट मटेरियलच्या उच्च-गती इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रतिसादामुळे LNOI आधारित ऑप्टिकल स्विच उच्च-गती ऑप्टिकल रूटिंग स्विचिंग करण्यास सक्षम होतो आणि अशा उच्च-गती स्विचिंगचा वीज वापर देखील खूप कमी असतो. एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या विशिष्ट वापरासाठी, ऑप्टिकली नियंत्रित बीमफॉर्मिंग चिपमध्ये जलद बीम स्कॅनिंगच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी उच्च-गती स्विचिंगची क्षमता असते आणि अत्यंत कमी वीज वापराची वैशिष्ट्ये मोठ्या-प्रमाणातील फेझ्ड अॅरे सिस्टमच्या कठोर आवश्यकतांशी चांगल्या प्रकारे जुळवून घेतात. जरी InP आधारित ऑप्टिकल स्विच देखील उच्च-गती ऑप्टिकल पाथ स्विचिंग साध्य करू शकतो, तरीही तो मोठा नॉइज निर्माण करतो, विशेषतः जेव्हा मल्टीलेव्हल ऑप्टिकल स्विच कॅस्केड केले जातात, तेव्हा नॉइज कोएफिशिएंट गंभीरपणे खालावतो. सिलिकॉन, SiO2 आणि सिलिकॉन नायट्राइड मटेरियल केवळ थर्मो-ऑप्टिकल इफेक्ट किंवा कॅरियर डिस्पर्शन इफेक्टद्वारे ऑप्टिकल पाथ स्विच करू शकतात, ज्याचे तोटे म्हणजे जास्त वीज वापर आणि कमी स्विचिंग गती. जेव्हा फेझ्ड अॅरेचा आकार मोठा असतो, तेव्हा ते वीज वापराच्या आवश्यकता पूर्ण करू शकत नाही.

प्रकाशीय प्रवर्धनाच्या संदर्भात,सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल अॅम्प्लीफायर (एसओएInP वर आधारित पद्धत व्यावसायिक वापरासाठी परिपक्व झाली आहे, परंतु त्यात उच्च नॉईज कोएफिशियंट आणि कमी सॅचुरेशन आउटपुट पॉवर हे तोटे आहेत, जे मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या वापरासाठी अनुकूल नाही. पिरियॉडिक ॲक्टिव्हेशन आणि इन्व्हर्जनवर आधारित थिन-फिल्म लिथियम नायोबाइट वेव्हगाईडची पॅरामीट्रिक ॲम्प्लिफिकेशन प्रक्रिया कमी नॉईज आणि उच्च पॉवरचे ऑन-चिप ऑप्टिकल ॲम्प्लिफिकेशन साध्य करू शकते, जे ऑन-चिप ऑप्टिकल ॲम्प्लिफिकेशनसाठी एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या गरजा चांगल्या प्रकारे पूर्ण करू शकते.

प्रकाश शोधनाच्या बाबतीत, पातळ थराच्या लिथियम नायोबाइटमध्ये १५५० एनएम बँडमधील प्रकाशासाठी चांगली पारगमन वैशिष्ट्ये आहेत. प्रकाशविद्युत रूपांतरणाचे कार्य साध्य करता येत नाही, म्हणून मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगांसाठी, चिपवरील प्रकाशविद्युत रूपांतरणाच्या गरजा पूर्ण करण्याकरिता, बॅकलोडिंग वेल्डिंग किंवा एपिटॅक्सियल वाढीद्वारे LNOI आधारित फोटोनिक एकात्मिक चिप्सवर InGaAs किंवा Ge-Si शोधन युनिट्स समाविष्ट करणे आवश्यक आहे. ऑप्टिकल फायबरसोबतच्या जोडणीच्या बाबतीत, ऑप्टिकल फायबर स्वतः SiO2 पदार्थाचा बनलेला असल्यामुळे, SiO2 वेव्हगाइडच्या मोड फील्डची ऑप्टिकल फायबरच्या मोड फील्डसोबत जुळवणूक सर्वाधिक असते आणि जोडणी सर्वात सोयीस्कर होते. पातळ थराच्या लिथियम नायोबाइटच्या अत्यंत मर्यादित वेव्हगाइडच्या मोड फील्डचा व्यास सुमारे १μm असतो, जो ऑप्टिकल फायबरच्या मोड फील्डपेक्षा खूप वेगळा असतो, म्हणून ऑप्टिकल फायबरच्या मोड फील्डशी जुळवून घेण्यासाठी योग्य मोड स्पॉट रूपांतरण करणे आवश्यक आहे.

एकीकरणाच्या बाबतीत, विविध पदार्थांमध्ये उच्च एकीकरणाची क्षमता आहे की नाही हे मुख्यत्वे वेव्हगाईडच्या वाकण्याच्या त्रिज्येवर अवलंबून असते (जी वेव्हगाईड मोड फील्डच्या मर्यादेमुळे प्रभावित होते). अत्यंत मर्यादित वेव्हगाईड लहान वाकण्याच्या त्रिज्येला परवानगी देतो, जे उच्च एकीकरण साध्य करण्यासाठी अधिक अनुकूल आहे. त्यामुळे, पातळ-थर लिथियम नायोबेट वेव्हगाईड्समध्ये उच्च एकीकरण साध्य करण्याची क्षमता आहे. म्हणूनच, पातळ-थर लिथियम नायोबेटच्या आगमनामुळे लिथियम नायोबेट पदार्थाला खऱ्या अर्थाने ऑप्टिकल "सिलिकॉन" ची भूमिका बजावणे शक्य झाले आहे. मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या उपयोगासाठी, पातळ-थर लिथियम नायोबेटचे फायदे अधिक स्पष्ट आहेत.