एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानामध्ये पातळ फिल्म लिथियम निओबेटचे फायदे आणि महत्त्व
मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानमोठ्या प्रमाणात कार्यरत बँडविड्थ, मजबूत समांतर प्रक्रिया क्षमता आणि कमी ट्रान्समिशन लॉस हे फायदे आहेत, ज्यामुळे पारंपारिक मायक्रोवेव्ह सिस्टममधील तांत्रिक अडथळा दूर करण्याची आणि रडार, इलेक्ट्रॉनिक युद्ध, संप्रेषण आणि मापन आणि नियंत्रण यासारख्या लष्करी इलेक्ट्रॉनिक माहिती उपकरणांची कार्यक्षमता सुधारण्याची क्षमता आहे. तथापि, डिस्क्रिट उपकरणांवर आधारित मायक्रोवेव्ह फोटॉन सिस्टममध्ये मोठ्या प्रमाणात आकारमान, जास्त वजन आणि खराब स्थिरता यासारख्या काही समस्या आहेत, ज्यामुळे अंतराळ आणि हवाई प्लॅटफॉर्ममध्ये मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाचा वापर गंभीरपणे मर्यादित होतो. म्हणूनच, लष्करी इलेक्ट्रॉनिक माहिती प्रणालीमध्ये मायक्रोवेव्ह फोटॉनचा वापर तोडण्यासाठी आणि मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या फायद्यांना पूर्ण खेळ देण्यासाठी एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञान एक महत्त्वाचा आधार बनत आहे.
सध्या, ऑप्टिकल कम्युनिकेशनच्या क्षेत्रात वर्षानुवर्षे विकास झाल्यानंतर SI-आधारित फोटोनिक इंटिग्रेशन तंत्रज्ञान आणि INP-आधारित फोटोनिक इंटिग्रेशन तंत्रज्ञान अधिकाधिक परिपक्व झाले आहे आणि बरीच उत्पादने बाजारात आणली गेली आहेत. तथापि, मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या वापरासाठी, या दोन प्रकारच्या फोटोन इंटिग्रेशन तंत्रज्ञानामध्ये काही समस्या आहेत: उदाहरणार्थ, Si मॉड्युलेटर आणि InP मॉड्युलेटरचा नॉनलाइनर इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाद्वारे अनुसरण केलेल्या उच्च रेषीयता आणि मोठ्या गतिमान वैशिष्ट्यांच्या विरुद्ध आहे; उदाहरणार्थ, थर्मल-ऑप्टिकल इफेक्ट, पायझोइलेक्ट्रिक इफेक्ट किंवा कॅरियर इंजेक्शन डिस्पर्शन इफेक्टवर आधारित ऑप्टिकल पाथ स्विचिंग साकार करणारा सिलिकॉन ऑप्टिकल स्विचमध्ये स्लो स्विचिंग स्पीड, पॉवर वापर आणि उष्णता वापराच्या समस्या आहेत, जे जलद बीम स्कॅनिंग आणि मोठ्या अॅरे स्केल मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगांना पूर्ण करू शकत नाहीत.
हाय स्पीडसाठी लिथियम निओबेट नेहमीच पहिली पसंती राहिली आहे.इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेशनउत्कृष्ट रेषीय इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभावामुळे. तथापि, पारंपारिक लिथियम निओबेटइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटरहे मोठ्या प्रमाणात लिथियम निओबेट क्रिस्टल मटेरियलपासून बनलेले आहे आणि उपकरणाचा आकार खूप मोठा आहे, जो एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या गरजा पूर्ण करू शकत नाही. एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञान प्रणालीमध्ये रेषीय इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक असलेले लिथियम निओबेट मटेरियल कसे एकत्रित करायचे हे संबंधित संशोधकांचे ध्येय बनले आहे. २०१८ मध्ये, युनायटेड स्टेट्समधील हार्वर्ड विद्यापीठातील एका संशोधन पथकाने प्रथम निसर्गात पातळ फिल्म लिथियम निओबेटवर आधारित फोटोनिक इंटिग्रेशन तंत्रज्ञानाचा अहवाल दिला, कारण या तंत्रज्ञानात उच्च इंटिग्रेशन, मोठे इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशन बँडविड्थ आणि इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल इफेक्टची उच्च रेषीयता असे फायदे आहेत, एकदा लॉन्च झाल्यानंतर, ते लगेचच फोटोनिक इंटिग्रेशन आणि मायक्रोवेव्ह फोटोनिक्सच्या क्षेत्रात शैक्षणिक आणि औद्योगिक लक्ष वेधून घेते. मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगाच्या दृष्टिकोनातून, हा पेपर मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या विकासावर पातळ फिल्म लिथियम निओबेटवर आधारित फोटोन इंटिग्रेशन तंत्रज्ञानाचा प्रभाव आणि महत्त्व यांचा आढावा घेतो.
पातळ फिल्म लिथियम निओबेट मटेरियल आणि पातळ फिल्मलिथियम निओबेट मॉड्युलेटर
अलिकडच्या दोन वर्षांत, लिथियम निओबेट मटेरियलचा एक नवीन प्रकार उदयास आला आहे, म्हणजेच, लिथियम निओबेट फिल्मला "आयन स्लाइसिंग" पद्धतीने मोठ्या लिथियम निओबेट क्रिस्टलपासून एक्सफोलिएट केले जाते आणि सिलिका बफर लेयरसह Si वेफरशी जोडले जाते जेणेकरून LNOI (LiNbO3-ऑन-इन्सुलेटर) मटेरियल तयार होईल [5], ज्याला या पेपरमध्ये थिन फिल्म लिथियम निओबेट मटेरियल म्हणतात. १०० नॅनोमीटरपेक्षा जास्त उंची असलेले रिज वेव्हगाइड्स ऑप्टिमाइझ केलेल्या ड्राय एचिंग प्रक्रियेद्वारे पातळ फिल्म लिथियम निओबेट मटेरियलवर कोरले जाऊ शकतात आणि तयार झालेल्या वेव्हगाइड्सचा प्रभावी अपवर्तक निर्देशांक फरक ०.८ पेक्षा जास्त (पारंपारिक लिथियम निओबेट वेव्हगाइड्सच्या ०.०२ च्या अपवर्तक निर्देशांक फरकापेक्षा खूपच जास्त) पोहोचू शकतो. जोरदार प्रतिबंधित वेव्हगाइड मॉड्युलेटर डिझाइन करताना प्रकाश क्षेत्र मायक्रोवेव्ह फील्डशी जुळवणे सोपे करते. अशा प्रकारे, कमी लांबीमध्ये कमी अर्ध-वेव्ह व्होल्टेज आणि मोठे मॉड्युलेशन बँडविड्थ प्राप्त करणे फायदेशीर आहे.
कमी नुकसान असलेल्या लिथियम निओबेट सबमायक्रॉन वेव्हगाइडचे स्वरूप पारंपारिक लिथियम निओबेट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटरच्या उच्च ड्रायव्हिंग व्होल्टेजच्या अडथळ्यांना तोडते. इलेक्ट्रोड अंतर ~ 5 μm पर्यंत कमी केले जाऊ शकते आणि विद्युत क्षेत्र आणि ऑप्टिकल मोड फील्डमधील ओव्हरलॅप मोठ्या प्रमाणात वाढतो आणि vπ ·L 20 V·cm पेक्षा जास्त वरून 2.8 V·cm पेक्षा कमी होते. म्हणून, त्याच अर्ध-वेव्ह व्होल्टेज अंतर्गत, पारंपारिक मॉड्युलेटरच्या तुलनेत डिव्हाइसची लांबी मोठ्या प्रमाणात कमी केली जाऊ शकते. त्याच वेळी, आकृतीमध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, प्रवासी वेव्ह इलेक्ट्रोडच्या रुंदी, जाडी आणि मध्यांतराचे पॅरामीटर्स ऑप्टिमाइझ केल्यानंतर, मॉड्युलेटरमध्ये 100 GHz पेक्षा जास्त अल्ट्रा-हाय मॉड्युलेशन बँडविड्थची क्षमता असू शकते.
आकृती १ (अ) गणना केलेले मोड वितरण आणि (ब) LN वेव्हगाइडच्या क्रॉस-सेक्शनची प्रतिमा
आकृती २ (अ) वेव्हगाईड आणि इलेक्ट्रोड रचना आणि (ब) एलएन मॉड्युलेटरचा कोरप्लेट
पारंपारिक लिथियम निओबेट व्यावसायिक मॉड्युलेटर, सिलिकॉन-आधारित मॉड्युलेटर आणि इंडियम फॉस्फाइड (InP) मॉड्युलेटर आणि इतर विद्यमान हाय-स्पीड इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटरसह पातळ फिल्म लिथियम निओबेट मॉड्युलेटरची तुलना, तुलनेचे मुख्य पॅरामीटर्स हे आहेत:
(१) अर्ध-तरंग व्होल्ट-लांबीचे उत्पादन (vπ ·L, V·cm), मॉड्युलेटरची मॉड्युलेशन कार्यक्षमता मोजताना, मूल्य जितके लहान असेल तितकी मॉड्युलेशन कार्यक्षमता जास्त असेल;
(२) ३ डीबी मॉड्युलेशन बँडविड्थ (GHz), जी मॉड्युलेटरच्या उच्च-फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशनला प्रतिसाद मोजते;
(३) मॉड्युलेशन क्षेत्रातील ऑप्टिकल इन्सर्शन लॉस (dB). टेबलवरून असे दिसून येते की थिन फिल्म लिथियम निओबेट मॉड्युलेटरचे मॉड्युलेशन बँडविड्थ, हाफ-वेव्ह व्होल्टेज, ऑप्टिकल इंटरपोलेशन लॉस इत्यादींमध्ये स्पष्ट फायदे आहेत.
एकात्मिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सचा आधारस्तंभ म्हणून सिलिकॉन आतापर्यंत विकसित केले गेले आहे, ही प्रक्रिया परिपक्व आहे, त्याचे लघुकरण सक्रिय/निष्क्रिय उपकरणांच्या मोठ्या प्रमाणात एकत्रीकरणासाठी अनुकूल आहे आणि त्याच्या मॉड्युलेटरचा ऑप्टिकल कम्युनिकेशनच्या क्षेत्रात व्यापक आणि सखोल अभ्यास केला गेला आहे. सिलिकॉनची इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशन यंत्रणा प्रामुख्याने कॅरियर डिप्लिंग-शन, कॅरियर इंजेक्शन आणि कॅरियर संचय आहे. त्यापैकी, मॉड्युलेटरची बँडविड्थ रेषीय पदवी कॅरियर डिप्लेशन यंत्रणेसह इष्टतम आहे, परंतु ऑप्टिकल फील्ड वितरण डिप्लेशन क्षेत्राच्या गैर-एकरूपतेसह ओव्हरलॅप होत असल्याने, हा प्रभाव नॉनलाइनर सेकंड-ऑर्डर डिस्टॉर्शन आणि थर्ड-ऑर्डर इंटरमॉड्युलेशन डिस्टॉर्शन टर्म्स सादर करेल, प्रकाशावरील कॅरियरच्या शोषण प्रभावासह, ज्यामुळे ऑप्टिकल मॉड्युलेशन अॅम्प्लिट्यूड आणि सिग्नल डिस्टॉर्शन कमी होईल.
InP मॉड्युलेटरमध्ये उत्कृष्ट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव आहेत आणि मल्टी-लेयर क्वांटम वेल स्ट्रक्चर 0.156V · मिमी पर्यंत Vπ·L सह अल्ट्रा-हाय रेट आणि कमी ड्रायव्हिंग व्होल्टेज मॉड्युलेटर साकार करू शकते. तथापि, विद्युत क्षेत्रासह अपवर्तक निर्देशांकाच्या भिन्नतेमध्ये रेषीय आणि नॉनलाइनर संज्ञा समाविष्ट आहेत आणि विद्युत क्षेत्र तीव्रतेत वाढ झाल्याने दुसऱ्या क्रमांकाचा प्रभाव प्रमुख होईल. म्हणून, सिलिकॉन आणि InP इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटर कार्य करताना pn जंक्शन तयार करण्यासाठी बायस लागू करणे आवश्यक आहे आणि pn जंक्शन प्रकाशात शोषण नुकसान आणेल. तथापि, या दोघांचा मॉड्युलेटर आकार लहान आहे, व्यावसायिक InP मॉड्युलेटर आकार LN मॉड्युलेटरच्या 1/4 आहे. उच्च मॉड्युलेशन कार्यक्षमता, उच्च घनता आणि कमी अंतराच्या डिजिटल ऑप्टिकल ट्रान्समिशन नेटवर्कसाठी योग्य जसे की डेटा सेंटर. लिथियम निओबेटच्या इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभावामध्ये प्रकाश शोषण यंत्रणा आणि कमी नुकसान नाही, जे लांब अंतराच्या सुसंगततेसाठी योग्य आहे.ऑप्टिकल कम्युनिकेशनमोठ्या क्षमतेसह आणि उच्च दरासह. मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगात, Si आणि InP चे इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक नॉनलाइनर असतात, जे उच्च रेषीयता आणि मोठ्या गतिमानतेचा पाठलाग करणाऱ्या मायक्रोवेव्ह फोटॉन प्रणालीसाठी योग्य नाही. लिथियम निओबेट मटेरियल मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगासाठी अतिशय योग्य आहे कारण त्याच्या पूर्णपणे रेषीय इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेशन गुणांकामुळे.
पोस्ट वेळ: एप्रिल-२२-२०२४