પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી અને પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટર

સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીમાં પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટના ફાયદા અને મહત્વ

માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજીમોટી કાર્યકારી બેન્ડવિડ્થ, મજબૂત સમાંતર પ્રક્રિયા કરવાની ક્ષમતા અને ઓછા ટ્રાન્સમિશન નુકશાનના ફાયદા ધરાવે છે, જે પરંપરાગત માઇક્રોવેવ સિસ્ટમની તકનીકી અડચણને તોડવાની અને રડાર, ઇલેક્ટ્રોનિક યુદ્ધ, સંદેશાવ્યવહાર અને માપન જેવા લશ્કરી ઇલેક્ટ્રોનિક માહિતી સાધનોની કામગીરીમાં સુધારો કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. નિયંત્રણ જો કે, અલગ ઉપકરણો પર આધારિત માઇક્રોવેવ ફોટોન સિસ્ટમમાં મોટી માત્રા, ભારે વજન અને નબળી સ્થિરતા જેવી કેટલીક સમસ્યાઓ છે, જે સ્પેસબોર્ન અને એરબોર્ન પ્લેટફોર્મમાં માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેક્નોલોજીના ઉપયોગને ગંભીરપણે પ્રતિબંધિત કરે છે. તેથી, એકીકૃત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેક્નોલોજી લશ્કરી ઇલેક્ટ્રોનિક માહિતી પ્રણાલીમાં માઇક્રોવેવ ફોટોનની એપ્લિકેશનને તોડવા અને માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેક્નોલૉજીના ફાયદાઓને પૂર્ણ કરવા માટે એક મહત્વપૂર્ણ આધાર બની રહી છે.

હાલમાં, SI-આધારિત ફોટોનિક એકીકરણ ટેક્નોલોજી અને INP-આધારિત ફોટોનિક એકીકરણ ટેક્નોલોજી ઓપ્ટિકલ કમ્યુનિકેશનના ક્ષેત્રમાં વર્ષોના વિકાસ પછી વધુને વધુ પરિપક્વ બની છે, અને ઘણી બધી પ્રોડક્ટ્સ બજારમાં મૂકવામાં આવી છે. જો કે, માઇક્રોવેવ ફોટોનના ઉપયોગ માટે, આ બે પ્રકારની ફોટોન એકીકરણ તકનીકોમાં કેટલીક સમસ્યાઓ છે: ઉદાહરણ તરીકે, Si મોડ્યુલેટર અને InP મોડ્યુલેટરનો બિનરેખીય ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ ગુણાંક માઇક્રોવેવ દ્વારા અનુસરવામાં આવતી ઉચ્ચ રેખીયતા અને વિશાળ ગતિશીલ લાક્ષણિકતાઓથી વિપરીત છે. ફોટોન ટેકનોલોજી; ઉદાહરણ તરીકે, સિલિકોન ઓપ્ટિકલ સ્વીચ જે ઓપ્ટિકલ પાથ સ્વિચિંગને સાકાર કરે છે, પછી ભલે તે થર્મલ-ઓપ્ટિકલ અસર, પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર અથવા વાહક ઇન્જેક્શન ડિસ્પરશન ઇફેક્ટ પર આધારિત હોય, ધીમી સ્વિચિંગ ઝડપ, પાવર વપરાશ અને ગરમીના વપરાશની સમસ્યાઓ ધરાવે છે, જે ઝડપથી પહોંચી શકતી નથી. બીમ સ્કેનિંગ અને મોટા એરે સ્કેલ માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશન્સ.

લિથિયમ નિયોબેટ હંમેશા હાઇ સ્પીડ માટે પ્રથમ પસંદગી રહી છેઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેશનતેની ઉત્તમ રેખીય ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક અસરને કારણે સામગ્રી. જો કે, પરંપરાગત લિથિયમ નિયોબેટઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટરવિશાળ લિથિયમ નિયોબેટ ક્રિસ્ટલ સામગ્રીથી બનેલું છે, અને ઉપકરણનું કદ ખૂબ મોટું છે, જે સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન તકનીકની જરૂરિયાતોને પૂર્ણ કરી શકતું નથી. સંકલિત માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેકનોલોજી સિસ્ટમમાં લીનિયર ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ ગુણાંક સાથે લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રીને કેવી રીતે સંકલિત કરવી તે સંબંધિત સંશોધકોનું લક્ષ્ય બની ગયું છે. 2018 માં, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સની હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટીની એક સંશોધન ટીમે સૌપ્રથમ કુદરતમાં પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ પર આધારિત ફોટોનિક ઇન્ટિગ્રેશન ટેક્નોલોજીની જાણ કરી, કારણ કે આ ટેક્નોલોજીમાં ઉચ્ચ એકીકરણ, વિશાળ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ અને ઇલેક્ટ્રોની ઉચ્ચ રેખીયતાના ફાયદા છે. -ઓપ્ટિકલ ઇફેક્ટ, એકવાર લોંચ થયા પછી, તે તરત જ ફોટોનિક એકીકરણ અને માઇક્રોવેવ ફોટોનિક્સના ક્ષેત્રમાં શૈક્ષણિક અને ઔદ્યોગિક ધ્યાનનું કારણ બને છે. માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશનના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, આ પેપર માઇક્રોવેવ ફોટોન ટેક્નોલોજીના વિકાસ પર પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ પર આધારિત ફોટોન એકીકરણ તકનીકના પ્રભાવ અને મહત્વની સમીક્ષા કરે છે.

પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી અને પાતળી ફિલ્મલિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટર
તાજેતરના બે વર્ષોમાં, લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રીનો એક નવો પ્રકાર ઉભરી આવ્યો છે, એટલે કે લિથિયમ નિયોબેટ ફિલ્મને મોટા લિથિયમ નિયોબેટ ક્રિસ્ટલમાંથી "આયન સ્લાઇસિંગ" પદ્ધતિ દ્વારા એક્સ્ફોલિયેટ કરવામાં આવે છે અને સિલિકા બફર લેયર સાથે સી વેફર સાથે જોડવામાં આવે છે. ફોર્મ LNOI (LiNbO3-ઓન-ઇન્સ્યુલેટર) સામગ્રી [5], જેને આ પેપરમાં પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી કહેવામાં આવે છે. 100 નેનોમીટરથી વધુની ઊંચાઈવાળા રિજ વેવગાઈડને ઓપ્ટિમાઈઝ્ડ ડ્રાય ઈચિંગ પ્રક્રિયા દ્વારા પાતળી ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી પર કોતરણી કરી શકાય છે, અને રચાયેલા વેવગાઈડનો અસરકારક રીફ્રેક્ટિવ ઈન્ડેક્સ તફાવત 0.8 (પરંપરાગત રીફ્રેક્ટિવ ઈન્ડેક્સ તફાવત કરતાં ઘણો વધારે) સુધી પહોંચી શકે છે. 0.02 ના લિથિયમ નિયોબેટ વેવગાઈડ), આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. મજબૂત પ્રતિબંધિત વેવગાઈડ મોડ્યુલેટર ડિઝાઇન કરતી વખતે પ્રકાશ ક્ષેત્રને માઇક્રોવેવ ક્ષેત્ર સાથે મેચ કરવાનું સરળ બનાવે છે. આમ, ઓછી લંબાઈમાં નીચા હાફ-વેવ વોલ્ટેજ અને મોટી મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ પ્રાપ્ત કરવી ફાયદાકારક છે.

ઓછી ખોટ લિથિયમ નિયોબેટ સબમાઇક્રોન વેવગાઇડનો દેખાવ પરંપરાગત લિથિયમ નિયોબેટ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટરના ઉચ્ચ ડ્રાઇવિંગ વોલ્ટેજની અડચણને તોડે છે. ઇલેક્ટ્રોડનું અંતર ~ 5 μm સુધી ઘટાડી શકાય છે, અને ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ અને ઓપ્ટિકલ મોડ ફિલ્ડ વચ્ચેનો ઓવરલેપ ઘણો વધી જાય છે, અને vπ ·L 20 V·cm કરતાં વધુથી ઘટીને 2.8 V·cm કરતાં ઓછા થાય છે. તેથી, સમાન અર્ધ-તરંગ વોલ્ટેજ હેઠળ, પરંપરાગત મોડ્યુલેટરની તુલનામાં ઉપકરણની લંબાઈ મોટા પ્રમાણમાં ઘટાડી શકાય છે. તે જ સમયે, ટ્રાવેલિંગ વેવ ઇલેક્ટ્રોડની પહોળાઈ, જાડાઈ અને અંતરાલના પરિમાણોને ઑપ્ટિમાઇઝ કર્યા પછી, આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, મોડ્યુલેટર 100 GHz કરતાં વધુની અલ્ટ્રા-હાઈ મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થની ક્ષમતા ધરાવી શકે છે.

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

Fig.2 （a） Waveguide અને ઇલેક્ટ્રોડ સ્ટ્રક્ચર અને （b） LN મોડ્યુલેટરની કોરપ્લેટ

પરંપરાગત લિથિયમ નિયોબેટ કોમર્શિયલ મોડ્યુલેટર્સ, સિલિકોન-આધારિત મોડ્યુલેટર અને ઈન્ડિયમ ફોસ્ફાઈડ (આઈએનપી) મોડ્યુલેટર અને અન્ય હાલના હાઈ-સ્પીડ ઈલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર્સ સાથે પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટરની સરખામણી, સરખામણીના મુખ્ય પરિમાણોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:
(1) અર્ધ-તરંગ વોલ્ટ-લંબાઈનું ઉત્પાદન (vπ ·L, V·cm), મોડ્યુલેટરની મોડ્યુલેશન કાર્યક્ષમતાને માપવા, મૂલ્ય જેટલું નાનું, મોડ્યુલેશન કાર્યક્ષમતા વધારે છે;
(2) 3 dB મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ (GHz), જે ઉચ્ચ-આવર્તન મોડ્યુલેશન માટે મોડ્યુલેટરના પ્રતિભાવને માપે છે;
(3) મોડ્યુલેશન પ્રદેશમાં ઓપ્ટિકલ નિવેશ નુકશાન (ડીબી). તે ટેબલ પરથી જોઈ શકાય છે કે પાતળા ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટરના મોડ્યુલેશન બેન્ડવિડ્થ, હાફ-વેવ વોલ્ટેજ, ઓપ્ટિકલ ઈન્ટરપોલેશન લોસ વગેરેમાં સ્પષ્ટ ફાયદા છે.

સિલિકોન, એકીકૃત ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સના પાયાના પથ્થર તરીકે, અત્યાર સુધી વિકસાવવામાં આવ્યું છે, પ્રક્રિયા પરિપક્વ છે, તેનું લઘુકરણ સક્રિય/નિષ્ક્રિય ઉપકરણોના મોટા પાયે એકીકરણ માટે અનુકૂળ છે, અને તેના મોડ્યુલેટરનો ઓપ્ટિકલ ક્ષેત્રે વ્યાપક અને ઊંડો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. સંચાર સિલિકોનનું ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશન મિકેનિઝમ મુખ્યત્વે કેરિયર ડિપ્લિંગ-શન, કેરિયર ઈન્જેક્શન અને કેરિયર એક્યુમ્યુલેશન છે. તેમાંથી, મોડ્યુલેટરની બેન્ડવિડ્થ રેખીય ડિગ્રી વાહક અવક્ષય પદ્ધતિ સાથે શ્રેષ્ઠ છે, પરંતુ કારણ કે ઓપ્ટિકલ ક્ષેત્ર વિતરણ અવક્ષય ક્ષેત્રની બિન-એકરૂપતા સાથે ઓવરલેપ થાય છે, આ અસર બિન-રેખીય સેકન્ડ-ઓર્ડર વિકૃતિ અને ત્રીજા ક્રમના ઇન્ટરમોડ્યુલેશન વિકૃતિને રજૂ કરશે. શરતો, પ્રકાશ પર વાહકની શોષણ અસર સાથે જોડાયેલી છે, જે ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેશન કંપનવિસ્તારમાં ઘટાડો અને સિગ્નલ વિકૃતિ તરફ દોરી જશે.

InP મોડ્યુલેટરમાં ઉત્કૃષ્ટ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ અસરો છે, અને મલ્ટી-લેયર ક્વોન્ટમ વેલ સ્ટ્રક્ચર 0.156V · mm સુધી Vπ·L સાથે અતિ-ઉચ્ચ દર અને નીચા ડ્રાઇવિંગ વોલ્ટેજ મોડ્યુલેટરને અનુભવી શકે છે. જો કે, વિદ્યુત ક્ષેત્ર સાથે રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સની વિવિધતામાં રેખીય અને બિનરેખીય શબ્દોનો સમાવેશ થાય છે, અને ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની તીવ્રતામાં વધારો બીજા ક્રમની અસરને અગ્રણી બનાવશે. તેથી, સિલિકોન અને InP ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેટર્સે જ્યારે તેઓ કામ કરે છે ત્યારે pn જંકશન બનાવવા માટે પૂર્વગ્રહ લાગુ કરવાની જરૂર છે, અને pn જંકશન પ્રકાશમાં શોષણ નુકશાન લાવશે. જો કે, આ બંનેનું મોડ્યુલેટરનું કદ નાનું છે, કોમર્શિયલ InP મોડ્યુલેટરનું કદ LN મોડ્યુલેટરના 1/4 જેટલું છે. ઉચ્ચ મોડ્યુલેશન કાર્યક્ષમતા, ઉચ્ચ ઘનતા અને ટૂંકા અંતરના ડિજિટલ ઓપ્ટિકલ ટ્રાન્સમિશન નેટવર્ક્સ જેમ કે ડેટા સેન્ટર્સ માટે યોગ્ય. લિથિયમ નિયોબેટની ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ અસરમાં કોઈ પ્રકાશ શોષણ પદ્ધતિ અને ઓછી ખોટ નથી, જે લાંબા અંતરની સુસંગતતા માટે યોગ્ય છે.ઓપ્ટિકલ સંચારમોટી ક્ષમતા અને ઉચ્ચ દર સાથે. માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશનમાં, Si અને InP ના ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિકલ ગુણાંક બિનરેખીય છે, જે માઇક્રોવેવ ફોટોન સિસ્ટમ માટે યોગ્ય નથી જે ઉચ્ચ રેખીયતા અને વિશાળ ગતિશીલતાને અનુસરે છે. લિથિયમ નિયોબેટ સામગ્રી માઇક્રોવેવ ફોટોન એપ્લિકેશન માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે કારણ કે તેના સંપૂર્ણપણે રેખીય ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક મોડ્યુલેશન ગુણાંક છે.