पातळ थर लिथियम नायोबेट मटेरियल आणि पातळ थर लिथियम नायोबेट मॉड्युलेटर

एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानामध्ये पातळ थराच्या लिथियम नायोबाइटचे फायदे आणि महत्त्व

मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानयामध्ये मोठी कार्यरत बँडविड्थ, मजबूत समांतर प्रक्रिया क्षमता आणि कमी प्रसारण हानीचे फायदे आहेत, ज्यामुळे पारंपरिक मायक्रोवेव्ह प्रणालीतील तांत्रिक अडथळा दूर करण्याची आणि रडार, इलेक्ट्रॉनिक युद्ध, दळणवळण आणि मापन व नियंत्रण यांसारख्या लष्करी इलेक्ट्रॉनिक माहिती उपकरणांची कार्यक्षमता सुधारण्याची क्षमता आहे. तथापि, स्वतंत्र उपकरणांवर आधारित मायक्रोवेव्ह फोटॉन प्रणालीमध्ये मोठा आकार, जास्त वजन आणि कमी स्थिरता यांसारख्या काही समस्या आहेत, ज्यामुळे अंतराळ आणि हवाई प्लॅटफॉर्मवर मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या वापराला गंभीरपणे मर्यादा येतात. त्यामुळे, लष्करी इलेक्ट्रॉनिक माहिती प्रणालीमध्ये मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या वापरावरील मर्यादा दूर करण्यासाठी आणि मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या फायद्यांचा पुरेपूर उपयोग करण्यासाठी एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञान एक महत्त्वाचा आधार बनत आहे.

सध्या, ऑप्टिकल कम्युनिकेशनच्या क्षेत्रात अनेक वर्षांच्या विकासानंतर एसआय-आधारित फोटोनिक इंटिग्रेशन तंत्रज्ञान आणि आयएनपी-आधारित फोटोनिक इंटिग्रेशन तंत्रज्ञान अधिकाधिक परिपक्व झाले आहे आणि अनेक उत्पादने बाजारात आणली गेली आहेत. तथापि, मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या वापरासाठी, या दोन प्रकारच्या फोटॉन इंटिग्रेशन तंत्रज्ञानामध्ये काही समस्या आहेत: उदाहरणार्थ, एसआय मॉड्युलेटर आणि आयएनपी मॉड्युलेटरचा नॉन-लिनियर इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल कोएफिशियंट हा मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाला अपेक्षित असलेल्या उच्च लिनिअरिटी आणि मोठ्या डायनॅमिक वैशिष्ट्यांच्या विरुद्ध आहे; उदाहरणार्थ, ऑप्टिकल पाथ स्विचिंग साध्य करणारा सिलिकॉन ऑप्टिकल स्विच, मग तो थर्मल-ऑप्टिकल इफेक्ट, पिझोइलेक्ट्रिक इफेक्ट किंवा कॅरियर इंजेक्शन डिस्पर्शन इफेक्टवर आधारित असो, त्यात मंद स्विचिंग गती, वीज वापर आणि उष्णता वापर यांसारख्या समस्या आहेत, ज्यामुळे तो जलद बीम स्कॅनिंग आणि मोठ्या अॅरे स्केलच्या मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगांची पूर्तता करू शकत नाही.

उच्च गतीसाठी लिथियम नायोबेट नेहमीच पहिली पसंती राहिली आहे.इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेशनत्याच्या उत्कृष्ट रेखीय इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभावामुळे हे पदार्थ वापरले जातात. तथापि, पारंपरिक लिथियम नायोबाइटइलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटरहे उपकरण मोठ्या लिथियम नायोबेट क्रिस्टल मटेरियलपासून बनलेले असते आणि त्याचा आकार खूप मोठा असतो, ज्यामुळे ते एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या गरजा पूर्ण करू शकत नाही. रेखीय इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक असलेल्या लिथियम नायोबेट मटेरियलला एकात्मिक मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञान प्रणालीमध्ये कसे समाविष्ट करावे, हे संबंधित संशोधकांचे ध्येय बनले आहे. २०१८ मध्ये, अमेरिकेतील हार्वर्ड विद्यापीठाच्या एका संशोधन संघाने 'नेचर'मध्ये पातळ-थर लिथियम नायोबेटवर आधारित फोटोनिक एकीकरण तंत्रज्ञानाचा प्रथम अहवाल दिला. या तंत्रज्ञानामध्ये उच्च एकीकरण, मोठी इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशन बँडविड्थ आणि इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभावाची उच्च रेखीयता हे फायदे असल्यामुळे, ते सादर होताच फोटोनिक एकीकरण आणि मायक्रोवेव्ह फोटोनिक्सच्या क्षेत्रात शैक्षणिक आणि औद्योगिक लक्ष वेधून घेतले. मायक्रोवेव्ह फोटॉनच्या उपयोगाच्या दृष्टिकोनातून, हा शोधनिबंध पातळ-थर लिथियम नायोबेटवर आधारित फोटॉन एकीकरण तंत्रज्ञानाचा मायक्रोवेव्ह फोटॉन तंत्रज्ञानाच्या विकासावरील प्रभाव आणि महत्त्वाचा आढावा घेतो.

पातळ थर लिथियम नायोबेट पदार्थ आणि पातळ थरलिथियम नायोबेट मॉड्युलेटर
गेल्या दोन वर्षांत, एका नवीन प्रकारच्या लिथियम नायोबेट मटेरियलचा उदय झाला आहे, म्हणजेच, "आयन स्लाइसिंग" पद्धतीद्वारे मोठ्या लिथियम नायोबेट क्रिस्टलमधून लिथियम नायोबेट फिल्म वेगळी केली जाते आणि सिलिका बफर लेयरसह Si वेफरला जोडून LNOI (LiNbO3-On-Insulator) मटेरियल तयार केले जाते [5], ज्याला या पेपरमध्ये थिन फिल्म लिथियम नायोबेट मटेरियल म्हटले आहे. ऑप्टिमाइझ केलेल्या ड्राय एचिंग प्रक्रियेद्वारे थिन फिल्म लिथियम नायोबेट मटेरियलवर 100 नॅनोमीटरपेक्षा जास्त उंचीचे रिज वेव्हगाईड्स कोरले जाऊ शकतात आणि तयार झालेल्या वेव्हगाईड्समधील प्रभावी अपवर्तक निर्देशांक फरक 0.8 पेक्षा जास्त असू शकतो (पारंपारिक लिथियम नायोबेट वेव्हगाईड्सच्या 0.02 अपवर्तक निर्देशांक फरकापेक्षा खूप जास्त), जसे की आकृती 1 मध्ये दाखवले आहे. अत्यंत मर्यादित वेव्हगाईडमुळे मॉड्युलेटरची रचना करताना प्रकाश क्षेत्राला मायक्रोवेव्ह क्षेत्राशी जुळवणे सोपे होते. त्यामुळे, कमी लांबीमध्ये कमी हाफ-वेव्ह व्होल्टेज आणि मोठी मॉड्युलेशन बँडविड्थ मिळवणे फायदेशीर ठरते.

कमी क्षय असलेल्या लिथियम नायोबाइट सबमायक्रॉन वेव्हगाईडच्या आगमनाने पारंपरिक लिथियम नायोबाइट इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटरमधील उच्च ड्रायव्हिंग व्होल्टेजची अडचण दूर होते. इलेक्ट्रोडमधील अंतर सुमारे ५ μm पर्यंत कमी केले जाऊ शकते, आणि विद्युत क्षेत्र व ऑप्टिकल मोड क्षेत्रामधील आच्छादन मोठ्या प्रमाणात वाढते, ज्यामुळे vπ ·L हे २० V·cm पेक्षा जास्त वरून २.८ V·cm पेक्षा कमी होते. त्यामुळे, समान हाफ-वेव्ह व्होल्टेजखाली, पारंपरिक मॉड्युलेटरच्या तुलनेत डिव्हाइसची लांबी मोठ्या प्रमाणात कमी केली जाऊ शकते. त्याच वेळी, आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, ट्रॅव्हलिंग वेव्ह इलेक्ट्रोडची रुंदी, जाडी आणि अंतराचे पॅरामीटर्स ऑप्टिमाइझ केल्यानंतर, मॉड्युलेटरमध्ये १०० GHz पेक्षा जास्त अल्ट्रा-हाय मॉड्युलेशन बँडविड्थची क्षमता प्राप्त होऊ शकते.

आकृती १ (अ) गणना केलेले मोड वितरण आणि (ब) एलएन वेव्हगाइडच्या आडव्या छेदाची प्रतिमा

आकृती २ (अ) एलएन मॉड्युलेटरची वेव्हगाईड आणि इलेक्ट्रोड रचना आणि (ब) कोअरप्लेट

थिन फिल्म लिथियम नायोबाइट मॉड्युलेटर्सची पारंपरिक लिथियम नायोबाइट व्यावसायिक मॉड्युलेटर्स, सिलिकॉन-आधारित मॉड्युलेटर्स, इंडियम फॉस्फाइड (InP) मॉड्युलेटर्स आणि इतर विद्यमान हाय-स्पीड इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेटर्स यांच्याशी तुलना, या तुलनेच्या मुख्य मापदंडांमध्ये खालील बाबींचा समावेश आहे:
(1) अर्ध-तरंग व्होल्ट-लांबी गुणाकार (vπ ·L, V·cm), मॉड्युलेटरच्या मॉड्युलेशन कार्यक्षमतेचे मापन करतो, मूल्य जितके लहान, तितकी मॉड्युलेशन कार्यक्षमता जास्त;
(2) 3 dB मॉड्युलेशन बँडविड्थ (GHz), जे उच्च-फ्रिक्वेन्सी मॉड्युलेशनला मॉड्युलेटरचा प्रतिसाद मोजते;
(3) मॉड्युलेशन प्रदेशातील ऑप्टिकल इन्सर्शन लॉस (dB). तक्त्यावरून असे दिसून येते की, थिन फिल्म लिथियम नायोबाइट मॉड्युलेटरला मॉड्युलेशन बँडविड्थ, हाफ-वेव्ह व्होल्टेज, ऑप्टिकल इंटरपोलेशन लॉस इत्यादी बाबतीत स्पष्ट फायदे आहेत.

एकात्मिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सचा आधारस्तंभ म्हणून सिलिकॉनचा आतापर्यंत विकास झाला आहे, त्याची प्रक्रिया परिपक्व झाली आहे, त्याचे लघुकरण सक्रिय/निष्क्रिय उपकरणांच्या मोठ्या प्रमाणावरील एकात्मतेसाठी अनुकूल आहे आणि ऑप्टिकल कम्युनिकेशनच्या क्षेत्रात त्याच्या मॉड्युलेटरचा व्यापक आणि सखोल अभ्यास केला गेला आहे. सिलिकॉनची इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल मॉड्युलेशन यंत्रणा प्रामुख्याने वाहक क्षय, वाहक अंतःक्षेपण आणि वाहक संचयन आहे. त्यापैकी, रेषीय अंशाच्या वाहक क्षय यंत्रणेमुळे मॉड्युलेटरची बँडविड्थ सर्वोत्तम असते, परंतु ऑप्टिकल क्षेत्राचे वितरण क्षय क्षेत्राच्या असमानतेशी जुळत असल्यामुळे, हा परिणाम अरेखीय द्वितीय-श्रेणी विकृती आणि तृतीय-श्रेणी आंतर-मॉड्युलेशन विकृती निर्माण करतो, आणि सोबतच वाहकांचा प्रकाशावरील शोषण परिणाम, यामुळे ऑप्टिकल मॉड्युलेशन आयामात घट आणि सिग्नल विकृती निर्माण होते.

InP मॉड्युलेटरमध्ये उत्कृष्ट इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव असतात, आणि बहु-स्तरीय क्वांटम वेल संरचनेमुळे 0.156V · mm पर्यंत Vπ·L असलेले अति-उच्च दर आणि कमी ड्रायव्हिंग व्होल्टेज मॉड्युलेटर साकारता येतात. तथापि, विद्युत क्षेत्रासह अपवर्तनांकामधील बदलामध्ये रेषीय आणि अरेखीय पदांचा समावेश असतो, आणि विद्युत क्षेत्राची तीव्रता वाढल्याने द्वितीय-श्रेणीचा प्रभाव अधिक ठळक होतो. त्यामुळे, सिलिकॉन आणि InP इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेटरना काम करताना pn जंक्शन तयार करण्यासाठी बायस लावावा लागतो, आणि pn जंक्शनमुळे प्रकाशाचे शोषण होऊन हानी होते. तथापि, या दोन्हींचा मॉड्युलेटर आकार लहान असतो, व्यावसायिक InP मॉड्युलेटरचा आकार LN मॉड्युलेटरच्या १/४ असतो. उच्च मॉड्युलेशन कार्यक्षमता, डेटा सेंटर्ससारख्या उच्च घनतेच्या आणि कमी अंतराच्या डिजिटल ऑप्टिकल ट्रान्समिशन नेटवर्कसाठी योग्य. लिथियम नायोबाइटच्या इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभावामध्ये प्रकाश शोषणाची कोणतीही यंत्रणा नसते आणि हानी कमी असते, जे लांब अंतराच्या सुसंगत प्रसारणासाठी योग्य आहे.ऑप्टिकल कम्युनिकेशनमोठ्या क्षमतेसह आणि उच्च दरासह. मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगामध्ये, Si आणि InP चे इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणांक नॉन-लिनियर (अरेखीय) असतात, जे उच्च रेषीयता आणि मोठ्या डायनॅमिक्सची अपेक्षा करणाऱ्या मायक्रोवेव्ह फोटॉन प्रणालीसाठी योग्य नाही. लिथियम नायोबिएट पदार्थ त्याच्या पूर्णपणे रेषीय इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्युलेशन गुणांकामुळे मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोगासाठी अत्यंत योग्य आहे.