પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી અને પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટર

સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીમાં પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટના ફાયદા અને મહત્વ

માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીતેમાં મોટી કાર્યકારી બેન્ડવિડ્થ, મજબૂત સમાંતર પ્રક્રિયા ક્ષમતા અને ઓછા ટ્રાન્સમિશન નુકશાનના ફાયદા છે, જે પરંપરાગત માઇક્રોવેવ સિસ્ટમની તકનીકી અવરોધોને તોડવા અને રડાર, ઇલેક્ટ્રોનિક યુદ્ધ, સંદેશાવ્યવહાર અને માપન અને નિયંત્રણ જેવા લશ્કરી ઇલેક્ટ્રોનિક માહિતી ઉપકરણોના પ્રદર્શનમાં સુધારો કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. જો કે, ડિસ્ક્રીટ ઉપકરણો પર આધારિત માઇક્રોવેવ ફોટોન સિસ્ટમમાં મોટી વોલ્યુમ, ભારે વજન અને નબળી સ્થિરતા જેવી કેટલીક સમસ્યાઓ છે, જે અવકાશજન્ય અને હવાયુક્ત પ્લેટફોર્મમાં માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીના ઉપયોગને ગંભીરતાથી પ્રતિબંધિત કરે છે. તેથી, લશ્કરી ઇલેક્ટ્રોનિક માહિતી પ્રણાલીમાં માઇક્રોવેવ ફોટોનના ઉપયોગને તોડવા અને માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીના ફાયદાઓને સંપૂર્ણ રીતે ભજવવા માટે સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજી એક મહત્વપૂર્ણ આધાર બની રહી છે.

હાલમાં, ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશનના ક્ષેત્રમાં વર્ષોના વિકાસ પછી SI-આધારિત ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેશન ટેકનોલોજી અને INP-આધારિત ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેશન ટેકનોલોજી વધુને વધુ પરિપક્વ બની છે, અને બજારમાં ઘણી બધી પ્રોડક્ટ્સ મૂકવામાં આવી છે. જો કે, માઇક્રોવેવ ફોટોનના ઉપયોગ માટે, આ બે પ્રકારની ફોટોન ઇન્ટિગ્રેશન ટેકનોલોજીમાં કેટલીક સમસ્યાઓ છે: ઉદાહરણ તરીકે, Si મોડ્યુલેટર અને InP મોડ્યુલેટરનો નોનલાઇનર ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ ગુણાંક માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજી દ્વારા અનુસરવામાં આવતી ઉચ્ચ રેખીયતા અને મોટી ગતિશીલ લાક્ષણિકતાઓથી વિપરીત છે; ઉદાહરણ તરીકે, સિલિકોન ઓપ્ટિકલ સ્વીચ જે ઓપ્ટિકલ પાથ સ્વિચિંગને સાકાર કરે છે, પછી ભલે તે થર્મલ-ઓપ્ટિકલ અસર, પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર અથવા કેરિયર ઇન્જેક્શન ડિસ્પરશન અસર પર આધારિત હોય, તેમાં ધીમી સ્વિચિંગ ગતિ, પાવર વપરાશ અને ગરમી વપરાશની સમસ્યાઓ છે, જે ઝડપી બીમ સ્કેનિંગ અને મોટા એરે સ્કેલ માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશનોને પૂર્ણ કરી શકતી નથી.

લિથિયમ નિયોબેટ હંમેશા હાઇ સ્પીડ માટે પ્રથમ પસંદગી રહી છે.ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેશનસામગ્રી તેના ઉત્તમ રેખીય ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક અસરને કારણે. જોકે, પરંપરાગત લિથિયમ નિયોબેટઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટરતે વિશાળ લિથિયમ નિયોબેટ ક્રિસ્ટલ મટિરિયલથી બનેલું છે, અને ઉપકરણનું કદ ખૂબ મોટું છે, જે સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકતું નથી. સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજી સિસ્ટમમાં રેખીય ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ ગુણાંક સાથે લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રીને કેવી રીતે એકીકૃત કરવી તે સંબંધિત સંશોધકોનું લક્ષ્ય બની ગયું છે. 2018 માં, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટીની એક સંશોધન ટીમે સૌપ્રથમ પ્રકૃતિમાં પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ પર આધારિત ફોટોનિક એકીકરણ ટેકનોલોજીનો અહેવાલ આપ્યો હતો, કારણ કે આ ટેકનોલોજીમાં ઉચ્ચ એકીકરણ, મોટા ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ અને ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ અસરની ઉચ્ચ રેખીયતાના ફાયદા છે, એકવાર લોન્ચ થયા પછી, તે તરત જ ફોટોનિક એકીકરણ અને માઇક્રોવેવ ફોટોનિક્સના ક્ષેત્રમાં શૈક્ષણિક અને ઔદ્યોગિક ધ્યાન ખેંચે છે. માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશનના દ્રષ્ટિકોણથી, આ પેપર માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીના વિકાસ પર પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ પર આધારિત ફોટોન એકીકરણ ટેકનોલોજીના પ્રભાવ અને મહત્વની સમીક્ષા કરે છે.

પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી અને પાતળી ફિલ્મલિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટર
તાજેતરના બે વર્ષોમાં, એક નવા પ્રકારનું લિથિયમ નિયોબેટ મટિરિયલ ઉભરી આવ્યું છે, એટલે કે, લિથિયમ નિયોબેટ ફિલ્મને "આયન સ્લાઇસિંગ" પદ્ધતિ દ્વારા વિશાળ લિથિયમ નિયોબેટ ક્રિસ્ટલમાંથી એક્સ્ફોલિએટ કરવામાં આવે છે અને સિલિકા બફર લેયર સાથે Si વેફર સાથે જોડવામાં આવે છે જેથી LNOI (LiNbO3-ઓન-ઇન્સ્યુલેટર) મટિરિયલ [5] બને, જેને આ પેપરમાં થિન ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મટિરિયલ કહેવામાં આવે છે. 100 નેનોમીટરથી વધુ ઊંચાઈવાળા રિજ વેવગાઇડ્સને ઑપ્ટિમાઇઝ ડ્રાય એચિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મટિરિયલ્સ પર કોતરણી કરી શકાય છે, અને રચાયેલા વેવગાઇડ્સનો અસરકારક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ તફાવત 0.8 (પરંપરાગત લિથિયમ નિયોબેટ વેવગાઇડ્સના રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ તફાવત 0.02 કરતા ઘણો વધારે) સુધી પહોંચી શકે છે, જેમ કે આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. મજબૂત રીતે પ્રતિબંધિત વેવગાઇડ મોડ્યુલેટર ડિઝાઇન કરતી વખતે માઇક્રોવેવ ફિલ્ડ સાથે પ્રકાશ ક્ષેત્રને મેચ કરવાનું સરળ બનાવે છે. આમ, ટૂંકી લંબાઈમાં નીચા હાફ-વેવ વોલ્ટેજ અને મોટા મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ પ્રાપ્ત કરવા ફાયદાકારક છે.

લો લોસ લિથિયમ નિયોબેટ સબમાઈક્રોન વેવગાઈડનો દેખાવ પરંપરાગત લિથિયમ નિયોબેટ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટરના ઉચ્ચ ડ્રાઇવિંગ વોલ્ટેજની અવરોધને તોડી નાખે છે. ઇલેક્ટ્રોડ અંતર ~ 5 μm સુધી ઘટાડી શકાય છે, અને ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર અને ઓપ્ટિકલ મોડ ક્ષેત્ર વચ્ચેનો ઓવરલેપ ઘણો વધી જાય છે, અને vπ ·L 20 V·cm થી વધુથી ઘટીને 2.8 V·cm કરતા ઓછો થઈ જાય છે. તેથી, સમાન અર્ધ-તરંગ વોલ્ટેજ હેઠળ, પરંપરાગત મોડ્યુલેટરની તુલનામાં ઉપકરણની લંબાઈ ઘણી ઓછી કરી શકાય છે. તે જ સમયે, આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, ટ્રાવેલિંગ વેવ ઇલેક્ટ્રોડની પહોળાઈ, જાડાઈ અને અંતરાલના પરિમાણોને ઑપ્ટિમાઇઝ કર્યા પછી, મોડ્યુલેટર 100 GHz કરતા વધુ અલ્ટ્રા-હાઈ મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થની ક્ષમતા ધરાવી શકે છે.

આકૃતિ 1 (a) ગણતરી કરેલ મોડ વિતરણ અને (b) LN વેવગાઇડના ક્રોસ-સેક્શનની છબી

આકૃતિ 2 (a) વેવગાઇડ અને ઇલેક્ટ્રોડ માળખું અને (b) LN મોડ્યુલેટરનું કોરપ્લેટ

પરંપરાગત લિથિયમ નિયોબેટ કોમર્શિયલ મોડ્યુલેટર, સિલિકોન-આધારિત મોડ્યુલેટર અને ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડ (InP) મોડ્યુલેટર અને અન્ય હાલના હાઇ-સ્પીડ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર સાથે પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટરની સરખામણી, સરખામણીના મુખ્ય પરિમાણોમાં શામેલ છે:
(1) અર્ધ-તરંગ વોલ્ટ-લંબાઈ ઉત્પાદન (vπ ·L, V·cm), મોડ્યુલેટરની મોડ્યુલેશન કાર્યક્ષમતા માપવાથી, મૂલ્ય જેટલું નાનું હશે, મોડ્યુલેશન કાર્યક્ષમતા વધારે હશે;
(2) 3 dB મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ (GHz), જે ઉચ્ચ-આવર્તન મોડ્યુલેશન માટે મોડ્યુલેટરના પ્રતિભાવને માપે છે;
(3) મોડ્યુલેશન ક્ષેત્રમાં ઓપ્ટિકલ ઇન્સર્શન લોસ (dB). કોષ્ટક પરથી જોઈ શકાય છે કે થિન ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટરના મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ, હાફ-વેવ વોલ્ટેજ, ઓપ્ટિકલ ઇન્ટરપોલેશન લોસ વગેરેમાં સ્પષ્ટ ફાયદા છે.

સિલિકોન, સંકલિત ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સના પાયાના પથ્થર તરીકે, અત્યાર સુધી વિકસાવવામાં આવ્યું છે, પ્રક્રિયા પરિપક્વ છે, તેનું લઘુચિત્રીકરણ સક્રિય/નિષ્ક્રિય ઉપકરણોના મોટા પાયે એકીકરણ માટે અનુકૂળ છે, અને તેના મોડ્યુલેટરનો ઓપ્ટિકલ કમ્યુનિકેશનના ક્ષેત્રમાં વ્યાપક અને ઊંડાણપૂર્વક અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. સિલિકોનની ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશન મિકેનિઝમ મુખ્યત્વે કેરિયર ડિપ્લીંગ-શન, કેરિયર ઇન્જેક્શન અને કેરિયર સંચય છે. તેમાંથી, મોડ્યુલેટરની બેન્ડવિડ્થ રેખીય ડિગ્રી કેરિયર ડિપ્લેશન મિકેનિઝમ સાથે શ્રેષ્ઠ છે, પરંતુ કારણ કે ઓપ્ટિકલ ક્ષેત્ર વિતરણ ડિપ્લેશન ક્ષેત્રની બિન-એકરૂપતા સાથે ઓવરલેપ થાય છે, આ અસર બિન-રેખીય બીજા-ક્રમ વિકૃતિ અને ત્રીજા-ક્રમ ઇન્ટરમોડ્યુલેશન વિકૃતિ શરતો રજૂ કરશે, જે પ્રકાશ પર વાહકના શોષણ અસર સાથે જોડાયેલું છે, જે ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશન કંપનવિસ્તાર અને સિગ્નલ વિકૃતિમાં ઘટાડો તરફ દોરી જશે.

InP મોડ્યુલેટરમાં ઉત્કૃષ્ટ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ અસરો છે, અને મલ્ટી-લેયર ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચર 0.156V · mm સુધી Vπ·L સાથે અલ્ટ્રા-હાઇ રેટ અને લો ડ્રાઇવિંગ વોલ્ટેજ મોડ્યુલેટરને અનુભવી શકે છે. જો કે, ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ સાથે રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સના ભિન્નતામાં રેખીય અને બિન-રેખીય શબ્દોનો સમાવેશ થાય છે, અને ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ તીવ્રતામાં વધારો બીજા ક્રમની અસરને અગ્રણી બનાવશે. તેથી, સિલિકોન અને InP ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટરને કામ કરતી વખતે pn જંકશન બનાવવા માટે બાયસ લાગુ કરવાની જરૂર છે, અને pn જંકશન પ્રકાશમાં શોષણ નુકશાન લાવશે. જો કે, આ બંનેનું મોડ્યુલેટર કદ નાનું છે, વાણિજ્યિક InP મોડ્યુલેટર કદ LN મોડ્યુલેટરના 1/4 છે. ઉચ્ચ મોડ્યુલેશન કાર્યક્ષમતા, ઉચ્ચ ઘનતા અને ટૂંકા અંતરના ડિજિટલ ઓપ્ટિકલ ટ્રાન્સમિશન નેટવર્ક જેમ કે ડેટા સેન્ટર્સ માટે યોગ્ય. લિથિયમ નિયોબેટની ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ અસરમાં કોઈ પ્રકાશ શોષણ પદ્ધતિ અને ઓછું નુકસાન નથી, જે લાંબા અંતરના સુસંગત માટે યોગ્ય છે.ઓપ્ટિકલ કમ્યુનિકેશનમોટી ક્ષમતા અને ઉચ્ચ દર સાથે. માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશનમાં, Si અને InP ના ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ ગુણાંક બિન-રેખીય હોય છે, જે માઇક્રોવેવ ફોટોન સિસ્ટમ માટે યોગ્ય નથી જે ઉચ્ચ રેખીયતા અને મોટી ગતિશીલતાને અનુસરે છે. લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી તેના સંપૂર્ણપણે રેખીય ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેશન ગુણાંકને કારણે માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશન માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે.