ઉચ્ચ સંકલિત પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટર

ઉચ્ચ રેખીયતાઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટરઅને માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશન
સંદેશાવ્યવહાર પ્રણાલીઓની વધતી જતી જરૂરિયાતો સાથે, સિગ્નલોની ટ્રાન્સમિશન કાર્યક્ષમતામાં વધુ સુધારો કરવા માટે, લોકો પૂરક ફાયદા પ્રાપ્ત કરવા માટે ફોટોન અને ઇલેક્ટ્રોનને ફ્યુઝ કરશે, અને માઇક્રોવેવ ફોટોનિક્સનો જન્મ થશે. વીજળીને પ્રકાશમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટરની જરૂર છે.માઇક્રોવેવ ફોટોનિક સિસ્ટમ્સ, અને આ મુખ્ય પગલું સામાન્ય રીતે સમગ્ર સિસ્ટમનું પ્રદર્શન નક્કી કરે છે. કારણ કે રેડિયો ફ્રીક્વન્સી સિગ્નલનું ઓપ્ટિકલ ડોમેનમાં રૂપાંતર એ એનાલોગ સિગ્નલ પ્રક્રિયા છે, અને સામાન્યઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટરસહજ બિનરેખીયતા ધરાવતા, રૂપાંતર પ્રક્રિયામાં ગંભીર સિગ્નલ વિકૃતિ છે. અંદાજિત રેખીય મોડ્યુલેશન પ્રાપ્ત કરવા માટે, મોડ્યુલેટરનો ઓપરેટિંગ બિંદુ સામાન્ય રીતે ઓર્થોગોનલ બાયસ બિંદુ પર નિશ્ચિત કરવામાં આવે છે, પરંતુ તે હજુ પણ મોડ્યુલેટરની રેખીયતા માટે માઇક્રોવેવ ફોટોન લિંકની આવશ્યકતાઓને પૂર્ણ કરી શકતું નથી. ઉચ્ચ રેખીયતાવાળા ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટરની તાત્કાલિક જરૂર છે.

સિલિકોન સામગ્રીનું હાઇ-સ્પીડ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ મોડ્યુલેશન સામાન્ય રીતે ફ્રી કેરિયર પ્લાઝ્મા ડિસ્પરઝન (FCD) અસર દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે. FCD અસર અને PN જંકશન મોડ્યુલેશન બંને નોનલાઇનર છે, જે સિલિકોન મોડ્યુલેટરને લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટર કરતા ઓછું રેખીય બનાવે છે. લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી ઉત્તમ પ્રદર્શન કરે છે.ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશનતેમના પકર અસરને કારણે ગુણધર્મો. તે જ સમયે, લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રીમાં મોટી બેન્ડવિડ્થ, સારી મોડ્યુલેશન લાક્ષણિકતાઓ, ઓછી ખોટ, સરળ સંકલન અને સેમિકન્ડક્ટર પ્રક્રિયા સાથે સુસંગતતા, ઉચ્ચ-પ્રદર્શન ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર બનાવવા માટે પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટનો ઉપયોગ, સિલિકોનની તુલનામાં લગભગ કોઈ "શોર્ટ પ્લેટ" નથી, પણ ઉચ્ચ રેખીયતા પ્રાપ્ત કરવાના ફાયદા છે. ઇન્સ્યુલેટર પર પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ (LNOI) ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટર એક આશાસ્પદ વિકાસ દિશા બની ગયું છે. પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી તૈયારી તકનીક અને વેવગાઇડ એચિંગ તકનીકના વિકાસ સાથે, પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટરનું ઉચ્ચ રૂપાંતર કાર્યક્ષમતા અને ઉચ્ચ એકીકરણ આંતરરાષ્ટ્રીય શિક્ષણ અને ઉદ્યોગનું ક્ષેત્ર બની ગયું છે.

પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટની લાક્ષણિકતાઓ
યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં DAP AR આયોજને લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રીનું નીચે મુજબ મૂલ્યાંકન કર્યું છે: જો ઇલેક્ટ્રોનિક ક્રાંતિના કેન્દ્રનું નામ સિલિકોન સામગ્રીના નામ પરથી રાખવામાં આવે છે જે તેને શક્ય બનાવે છે, તો ફોટોનિક્સ ક્રાંતિનું જન્મસ્થળ લિથિયમ નિયોબેટના નામ પરથી રાખવામાં આવે તેવી શક્યતા છે. આનું કારણ એ છે કે લિથિયમ નિયોબેટ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ અસર, એકોસ્ટો-ઓપ્ટિકલ અસર, પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર, થર્મોઇલેક્ટ્રિક અસર અને ફોટોરિફ્રેક્ટિવ અસરને એકમાં એકીકૃત કરે છે, જેમ કે ઓપ્ટિક્સના ક્ષેત્રમાં સિલિકોન સામગ્રી.

ઓપ્ટિકલ ટ્રાન્સમિશન લાક્ષણિકતાઓની દ્રષ્ટિએ, સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા 1550nm બેન્ડમાં પ્રકાશના શોષણને કારણે InP સામગ્રીમાં સૌથી વધુ ઓન-ચિપ ટ્રાન્સમિશન નુકસાન છે. SiO2 અને સિલિકોન નાઇટ્રાઇડમાં શ્રેષ્ઠ ટ્રાન્સમિશન લાક્ષણિકતાઓ છે, અને નુકસાન ~ 0.01dB/cm ના સ્તર સુધી પહોંચી શકે છે; હાલમાં, પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ વેવગાઇડનું વેવગાઇડ નુકસાન 0.03dB/cm ના સ્તર સુધી પહોંચી શકે છે, અને ભવિષ્યમાં તકનીકી સ્તરમાં સતત સુધારા સાથે પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ વેવગાઇડનું નુકસાન વધુ ઘટાડવાની સંભાવના ધરાવે છે. તેથી, પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી પ્રકાશસંશ્લેષણ માર્ગ, શંટ અને માઇક્રોરિંગ જેવા નિષ્ક્રિય પ્રકાશ માળખાં માટે સારું પ્રદર્શન બતાવશે.

પ્રકાશ ઉત્પાદનની દ્રષ્ટિએ, ફક્ત InP જ પ્રકાશને સીધો ઉત્સર્જિત કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે; તેથી, માઇક્રોવેવ ફોટોનના ઉપયોગ માટે, બેકલોડિંગ વેલ્ડીંગ અથવા એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ દ્વારા LNOI આધારિત ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ ચિપ પર InP આધારિત પ્રકાશ સ્ત્રોત રજૂ કરવો જરૂરી છે. પ્રકાશ મોડ્યુલેશનની દ્રષ્ટિએ, ઉપર ભાર મૂકવામાં આવ્યો છે કે પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી InP અને Si કરતાં મોટી મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ, ઓછી હાફ-વેવ વોલ્ટેજ અને ઓછી ટ્રાન્સમિશન ખોટ પ્રાપ્ત કરવા માટે સરળ છે. વધુમાં, પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રીના ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશનની ઉચ્ચ રેખીયતા બધા માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશનો માટે આવશ્યક છે.

ઓપ્ટિકલ રૂટીંગની દ્રષ્ટિએ, પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રીનો હાઇ સ્પીડ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ પ્રતિભાવ LNOI આધારિત ઓપ્ટિકલ સ્વીચને હાઇ-સ્પીડ ઓપ્ટિકલ રૂટીંગ સ્વિચિંગ માટે સક્ષમ બનાવે છે, અને આવા હાઇ-સ્પીડ સ્વિચિંગનો પાવર વપરાશ પણ ખૂબ ઓછો છે. ઇન્ટિગ્રેટેડ માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીના લાક્ષણિક ઉપયોગ માટે, ઓપ્ટિકલી નિયંત્રિત બીમફોર્મિંગ ચિપમાં ઝડપી બીમ સ્કેનિંગની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવા માટે હાઇ-સ્પીડ સ્વિચિંગની ક્ષમતા હોય છે, અને અલ્ટ્રા-લો પાવર વપરાશની લાક્ષણિકતાઓ મોટા પાયે તબક્કાવાર એરે સિસ્ટમની કડક જરૂરિયાતોને સારી રીતે અનુકૂળ હોય છે. જોકે InP આધારિત ઓપ્ટિકલ સ્વીચ હાઇ-સ્પીડ ઓપ્ટિકલ પાથ સ્વિચિંગને પણ સાકાર કરી શકે છે, તે મોટા અવાજનો પરિચય કરાવશે, ખાસ કરીને જ્યારે મલ્ટિલેવલ ઓપ્ટિકલ સ્વીચ કાસ્કેડ કરવામાં આવે છે, ત્યારે અવાજ ગુણાંક ગંભીર રીતે બગડશે. સિલિકોન, SiO2 અને સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સામગ્રી ફક્ત થર્મો-ઓપ્ટિકલ અસર અથવા વાહક વિક્ષેપ અસર દ્વારા ઓપ્ટિકલ પાથને સ્વિચ કરી શકે છે, જેમાં ઉચ્ચ પાવર વપરાશ અને ધીમી સ્વિચિંગ ગતિના ગેરફાયદા છે. જ્યારે તબક્કાવાર એરેનું એરે કદ મોટું હોય છે, ત્યારે તે પાવર વપરાશની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકતું નથી.

ઓપ્ટિકલ એમ્પ્લીફિકેશનની દ્રષ્ટિએ,સેમિકન્ડક્ટર ઓપ્ટિકલ એમ્પ્લીફાયર (એસઓએ) InP પર આધારિત, વાણિજ્યિક ઉપયોગ માટે પરિપક્વ છે, પરંતુ તેમાં ઉચ્ચ અવાજ ગુણાંક અને ઓછી સંતૃપ્તિ આઉટપુટ પાવરના ગેરફાયદા છે, જે માઇક્રોવેવ ફોટોનના ઉપયોગ માટે અનુકૂળ નથી. સમયાંતરે સક્રિયકરણ અને વ્યુત્ક્રમ પર આધારિત પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ વેવગાઇડની પેરામેટ્રિક એમ્પ્લીફિકેશન પ્રક્રિયા ઓછી અવાજ અને ઉચ્ચ શક્તિવાળા ઓન-ચિપ ઓપ્ટિકલ એમ્પ્લીફિકેશન પ્રાપ્ત કરી શકે છે, જે ઓન-ચિપ ઓપ્ટિકલ એમ્પ્લીફિકેશન માટે સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીની જરૂરિયાતોને સારી રીતે પૂર્ણ કરી શકે છે.

પ્રકાશ શોધની દ્રષ્ટિએ, પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટમાં 1550 nm બેન્ડમાં પ્રકાશમાં સારી ટ્રાન્સમિશન લાક્ષણિકતાઓ છે. ફોટોઇલેક્ટ્રિક રૂપાંતરણનું કાર્ય સાકાર કરી શકાતું નથી, તેથી માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશનો માટે, ચિપ પર ફોટોઇલેક્ટ્રિક રૂપાંતરણની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરવા માટે. LNOI આધારિત ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેટેડ ચિપ્સ પર બેકલોડિંગ વેલ્ડીંગ અથવા એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ દ્વારા InGaAs અથવા Ge-Si ડિટેક્શન યુનિટ્સ રજૂ કરવાની જરૂર છે. ઓપ્ટિકલ ફાઇબર સાથે જોડાણની દ્રષ્ટિએ, કારણ કે ઓપ્ટિકલ ફાઇબર પોતે SiO2 સામગ્રી છે, SiO2 વેવગાઇડનું મોડ ફીલ્ડ ઓપ્ટિકલ ફાઇબરના મોડ ફીલ્ડ સાથે સૌથી વધુ મેચિંગ ડિગ્રી ધરાવે છે, અને કપલિંગ સૌથી અનુકૂળ છે. પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટના મજબૂત પ્રતિબંધિત વેવગાઇડનો મોડ ફીલ્ડ વ્યાસ લગભગ 1μm છે, જે ઓપ્ટિકલ ફાઇબરના મોડ ફીલ્ડથી તદ્દન અલગ છે, તેથી ઓપ્ટિકલ ફાઇબરના મોડ ફીલ્ડ સાથે મેચ કરવા માટે યોગ્ય મોડ સ્પોટ ટ્રાન્સફોર્મેશન હાથ ધરવું આવશ્યક છે.

એકીકરણની દ્રષ્ટિએ, વિવિધ સામગ્રીઓમાં ઉચ્ચ એકીકરણ ક્ષમતા છે કે કેમ તે મુખ્યત્વે વેવગાઇડના બેન્ડિંગ ત્રિજ્યા (વેવગાઇડ મોડ ક્ષેત્રની મર્યાદાથી પ્રભાવિત) પર આધાર રાખે છે. મજબૂત રીતે પ્રતિબંધિત વેવગાઇડ નાના બેન્ડિંગ ત્રિજ્યાને મંજૂરી આપે છે, જે ઉચ્ચ એકીકરણની અનુભૂતિ માટે વધુ અનુકૂળ છે. તેથી, પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ વેવગાઇડ્સમાં ઉચ્ચ એકીકરણ પ્રાપ્ત કરવાની ક્ષમતા છે. તેથી, પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટનો દેખાવ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી માટે ખરેખર ઓપ્ટિકલ "સિલિકોન" ની ભૂમિકા ભજવવાનું શક્ય બનાવે છે. માઇક્રોવેવ ફોટોનના ઉપયોગ માટે, પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટના ફાયદા વધુ સ્પષ્ટ છે.