നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മെറ്റീരിയലും നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മോഡുലേറ്ററും

സംയോജിത മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യയിൽ നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റിൻ്റെ ഗുണങ്ങളും പ്രാധാന്യവും

മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യവലിയ പ്രവർത്തന ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത്, ശക്തമായ സമാന്തര പ്രോസസ്സിംഗ് കഴിവ്, കുറഞ്ഞ ട്രാൻസ്മിഷൻ നഷ്ടം എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, ഇത് പരമ്പരാഗത മൈക്രോവേവ് സിസ്റ്റത്തിൻ്റെ സാങ്കേതിക തടസ്സം തകർക്കാനും റഡാർ, ഇലക്ട്രോണിക് യുദ്ധം, ആശയവിനിമയം, അളക്കൽ തുടങ്ങിയ സൈനിക ഇലക്ട്രോണിക് വിവര ഉപകരണങ്ങളുടെ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താനും കഴിയും. നിയന്ത്രണം. എന്നിരുന്നാലും, വ്യതിരിക്ത ഉപകരണങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സിസ്റ്റത്തിന് വലിയ വോളിയം, കനത്ത ഭാരം, മോശം സ്ഥിരത എന്നിവ പോലുള്ള ചില പ്രശ്‌നങ്ങളുണ്ട്, ഇത് ബഹിരാകാശ, വായുവിലൂടെയുള്ള പ്ലാറ്റ്‌ഫോമുകളിൽ മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പ്രയോഗത്തെ ഗുരുതരമായി നിയന്ത്രിക്കുന്നു. അതിനാൽ, മിലിട്ടറി ഇലക്‌ട്രോണിക് ഇൻഫർമേഷൻ സിസ്റ്റത്തിൽ മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോണിൻ്റെ പ്രയോഗം തകർക്കുന്നതിനും മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ നേട്ടങ്ങൾക്ക് പൂർണ്ണമായ കളി നൽകുന്നതിനും സംയോജിത മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യ ഒരു പ്രധാന പിന്തുണയായി മാറുകയാണ്.

നിലവിൽ, ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ രംഗത്ത് വർഷങ്ങളോളം വികസിച്ചതിന് ശേഷം SI- അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഫോട്ടോണിക് ഇൻ്റഗ്രേഷൻ സാങ്കേതികവിദ്യയും INP അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഫോട്ടോണിക് ഇൻ്റഗ്രേഷൻ സാങ്കേതികവിദ്യയും കൂടുതൽ കൂടുതൽ പക്വത പ്രാപിക്കുകയും ധാരാളം ഉൽപ്പന്നങ്ങൾ വിപണിയിലെത്തുകയും ചെയ്തു. എന്നിരുന്നാലും, മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോണിൻ്റെ പ്രയോഗത്തിന്, ഈ രണ്ട് തരത്തിലുള്ള ഫോട്ടോൺ ഇൻ്റഗ്രേഷൻ സാങ്കേതികവിദ്യകളിൽ ചില പ്രശ്‌നങ്ങളുണ്ട്: ഉദാഹരണത്തിന്, Si മോഡുലേറ്ററിൻ്റെയും InP മോഡുലേറ്ററിൻ്റെയും നോൺ-ലീനിയർ ഇലക്‌ട്രോ-ഒപ്റ്റിക്കൽ കോഫിഫിഷ്യൻ്റ് മൈക്രോവേവ് പിന്തുടരുന്ന ഉയർന്ന ലീനിയറിറ്റിക്കും വലിയ ചലനാത്മക സ്വഭാവങ്ങൾക്കും വിരുദ്ധമാണ്. ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യ; ഉദാഹരണത്തിന്, ഒപ്റ്റിക്കൽ പാത്ത് സ്വിച്ചിംഗ് തിരിച്ചറിയുന്ന സിലിക്കൺ ഒപ്റ്റിക്കൽ സ്വിച്ചിന്, തെർമൽ-ഒപ്റ്റിക്കൽ ഇഫക്റ്റ്, പൈസോ ഇലക്ട്രിക് ഇഫക്റ്റ്, അല്ലെങ്കിൽ കാരിയർ ഇഞ്ചക്ഷൻ ഡിസ്പർഷൻ ഇഫക്റ്റ് എന്നിവയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, വേഗത കുറഞ്ഞ വേഗത, വൈദ്യുതി ഉപഭോഗം, താപ ഉപഭോഗം എന്നിവയുടെ പ്രശ്നങ്ങൾ ഉണ്ട്. ബീം സ്കാനിംഗും വലിയ അറേ സ്കെയിൽ മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ ആപ്ലിക്കേഷനുകളും.

ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് എപ്പോഴും ഉയർന്ന വേഗതയിൽ ആദ്യ ചോയ്സ് ആയിരുന്നുഇലക്ട്രോ ഒപ്റ്റിക് മോഡുലേഷൻമെറ്റീരിയലുകൾ അതിൻ്റെ മികച്ച ലീനിയർ ഇലക്ട്രോ-ഒപ്റ്റിക് പ്രഭാവം കാരണം. എന്നിരുന്നാലും, പരമ്പരാഗത ലിഥിയം നിയോബേറ്റ്ഇലക്ട്രോ ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്റർകൂറ്റൻ ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് ക്രിസ്റ്റൽ മെറ്റീരിയലാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്, കൂടാതെ ഉപകരണത്തിൻ്റെ വലുപ്പം വളരെ വലുതാണ്, ഇത് സംയോജിത മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ ആവശ്യങ്ങൾ നിറവേറ്റാൻ കഴിയില്ല. ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളെ ലീനിയർ ഇലക്ട്രോ ഒപ്റ്റിക്കൽ കോഫിഫിഷ്യൻ്റുമായി സംയോജിത മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ ടെക്നോളജി സിസ്റ്റത്തിലേക്ക് എങ്ങനെ സംയോജിപ്പിക്കാം എന്നത് പ്രസക്തമായ ഗവേഷകരുടെ ലക്ഷ്യമായി മാറി. 2018-ൽ, യുണൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റ്സിലെ ഹാർവാർഡ് യൂണിവേഴ്‌സിറ്റിയിലെ ഒരു ഗവേഷക സംഘം ആദ്യമായി നേച്ചറിലെ നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റിനെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഫോട്ടോണിക് ഇൻ്റഗ്രേഷൻ സാങ്കേതികവിദ്യ റിപ്പോർട്ട് ചെയ്തു, കാരണം സാങ്കേതികവിദ്യയ്ക്ക് ഉയർന്ന സംയോജനം, വലിയ ഇലക്‌ട്രോ-ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേഷൻ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത്, ഇലക്ട്രോയുടെ ഉയർന്ന രേഖീയത എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങളുണ്ട്. -ഒപ്റ്റിക്കൽ ഇഫക്റ്റ്, ഒരിക്കൽ സമാരംഭിച്ചു, അത് ഉടൻ തന്നെ ഫോട്ടോണിക് ഇൻ്റഗ്രേഷൻ, മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോണിക്സ് മേഖലയിൽ അക്കാദമിക്, വ്യാവസായിക ശ്രദ്ധയ്ക്ക് കാരണമായി. മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ ആപ്ലിക്കേഷൻ്റെ വീക്ഷണകോണിൽ നിന്ന്, മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ വികസനത്തിൽ നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റിനെ അടിസ്ഥാനമാക്കി ഫോട്ടോൺ ഇൻ്റഗ്രേഷൻ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ സ്വാധീനവും പ്രാധാന്യവും ഈ പേപ്പർ അവലോകനം ചെയ്യുന്നു.

നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മെറ്റീരിയലും നേർത്ത ഫിലിംലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മോഡുലേറ്റർ
അടുത്ത രണ്ട് വർഷങ്ങളിൽ, ഒരു പുതിയ തരം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മെറ്റീരിയൽ ഉയർന്നുവന്നിട്ടുണ്ട്, അതായത്, ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് ഫിലിം വലിയ ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് ക്രിസ്റ്റലിൽ നിന്ന് "അയോൺ സ്ലൈസിംഗ്" രീതിയിലൂടെ പുറംതള്ളപ്പെടുകയും സിലിക്ക ബഫർ പാളി ഉപയോഗിച്ച് Si വേഫറുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. രൂപം LNOI (LiNbO3-ഓൺ-ഇൻസുലേറ്റർ) മെറ്റീരിയൽ [5], ഈ പേപ്പറിൽ നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മെറ്റീരിയൽ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. 100 നാനോമീറ്ററിൽ കൂടുതൽ ഉയരമുള്ള റിഡ്ജ് വേവ്ഗൈഡുകൾ നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്ത ഡ്രൈ എച്ചിംഗ് പ്രക്രിയയിലൂടെ കൊത്തിവയ്ക്കാൻ കഴിയും, കൂടാതെ രൂപംകൊണ്ട വേവ്ഗൈഡുകളുടെ ഫലപ്രദമായ റിഫ്രാക്റ്റീവ് ഇൻഡക്സ് വ്യത്യാസം 0.8-ൽ കൂടുതൽ എത്താം (പരമ്പരാഗത റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചിക വ്യത്യാസത്തേക്കാൾ വളരെ ഉയർന്നതാണ്. ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് വേവ്ഗൈഡുകൾ 0.02), ചിത്രം 1 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നത് പോലെ. ശക്തമായി നിയന്ത്രിത വേവ്ഗൈഡ്, മോഡുലേറ്റർ രൂപകൽപന ചെയ്യുമ്പോൾ ലൈറ്റ് ഫീൽഡ് മൈക്രോവേവ് ഫീൽഡുമായി പൊരുത്തപ്പെടുത്തുന്നത് എളുപ്പമാക്കുന്നു. അതിനാൽ, കുറഞ്ഞ നീളത്തിൽ കുറഞ്ഞ അർദ്ധ-തരംഗ വോൾട്ടേജും വലിയ മോഡുലേഷൻ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്തും നേടുന്നത് പ്രയോജനകരമാണ്.

കുറഞ്ഞ നഷ്ടത്തിലുള്ള ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് സബ്‌മൈക്രോൺ വേവ്‌ഗൈഡിൻ്റെ രൂപം പരമ്പരാഗത ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് ഇലക്‌ട്രോ-ഒപ്‌റ്റിക് മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ ഉയർന്ന ഡ്രൈവിംഗ് വോൾട്ടേജിൻ്റെ തടസ്സം തകർക്കുന്നു. ഇലക്‌ട്രോഡ് സ്‌പെയ്‌സിംഗ് ~ 5 μm ആയി കുറയ്ക്കാം, കൂടാതെ വൈദ്യുത മണ്ഡലവും ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡ് ഫീൽഡും തമ്മിലുള്ള ഓവർലാപ്പ് വളരെയധികം വർദ്ധിക്കുകയും vπ ·L 20 V·cm-ൽ നിന്ന് 2.8 V·cm-ൽ താഴെയായി കുറയുകയും ചെയ്യുന്നു. അതിനാൽ, ഒരേ പകുതി-വേവ് വോൾട്ടേജിൽ, പരമ്പരാഗത മോഡുലേറ്ററുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ഉപകരണത്തിൻ്റെ ദൈർഘ്യം വളരെ കുറയ്ക്കാൻ കഴിയും. അതേ സമയം, ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ട്രാവലിംഗ് വേവ് ഇലക്ട്രോഡിൻ്റെ വീതി, കനം, ഇടവേള എന്നിവയുടെ പാരാമീറ്ററുകൾ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്ത ശേഷം, മോഡുലേറ്ററിന് 100 GHz-ൽ കൂടുതൽ അൾട്രാ-ഹൈ മോഡുലേഷൻ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്തിൻ്റെ കഴിവ് ഉണ്ടായിരിക്കും.

Fig.1 (a) കണക്കാക്കിയ മോഡ് ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷനും LN വേവ്ഗൈഡിൻ്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ്റെ (b) ചിത്രവും

Fig.2 (a) വേവ്ഗൈഡും ഇലക്ട്രോഡ് ഘടനയും (b) LN മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ കോർപ്ലേറ്റും

പരമ്പരാഗത ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് കൊമേഴ്‌സ്യൽ മോഡുലേറ്ററുകൾ, സിലിക്കൺ അധിഷ്‌ഠിത മോഡുലേറ്ററുകൾ, ഇൻഡിയം ഫോസ്‌ഫൈഡ് (ഇൻപി) മോഡുലേറ്ററുകൾ, നിലവിലുള്ള മറ്റ് ഹൈ-സ്പീഡ് ഇലക്‌ട്രോ ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേറ്ററുകൾ എന്നിവയുമായി നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മോഡുലേറ്ററുകളുടെ താരതമ്യം, താരതമ്യത്തിൻ്റെ പ്രധാന പാരാമീറ്ററുകൾ ഉൾപ്പെടുന്നു:
(1) ഹാഫ്-വേവ് വോൾട്ട് ദൈർഘ്യമുള്ള ഉൽപ്പന്നം (vπ ·L, V·cm), മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ മോഡുലേഷൻ കാര്യക്ഷമത അളക്കുന്നു, ചെറിയ മൂല്യം, ഉയർന്ന മോഡുലേഷൻ കാര്യക്ഷമത;
(2) 3 dB മോഡുലേഷൻ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് (GHz), ഇത് ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി മോഡുലേഷനോടുള്ള മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ പ്രതികരണം അളക്കുന്നു;
(3) മോഡുലേഷൻ മേഖലയിൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഉൾപ്പെടുത്തൽ നഷ്ടം (dB). മോഡുലേഷൻ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത്, ഹാഫ്-വേവ് വോൾട്ടേജ്, ഒപ്റ്റിക്കൽ ഇൻ്റർപോളേഷൻ നഷ്ടം തുടങ്ങിയവയിൽ നേർത്ത ഫിലിം ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മോഡുലേറ്ററിന് വ്യക്തമായ ഗുണങ്ങളുണ്ടെന്ന് പട്ടികയിൽ നിന്ന് കാണാൻ കഴിയും.

സംയോജിത ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക്‌സിൻ്റെ മൂലക്കല്ലായി സിലിക്കൺ ഇതുവരെ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്, പ്രക്രിയ പക്വതയുള്ളതാണ്, അതിൻ്റെ ചെറുതാക്കൽ സജീവ/നിഷ്‌ക്രിയ ഉപകരണങ്ങളുടെ വലിയ തോതിലുള്ള സംയോജനത്തിന് സഹായകമാണ്, കൂടാതെ അതിൻ്റെ മോഡുലേറ്റർ ഒപ്റ്റിക്കൽ മേഖലയിൽ വ്യാപകമായും ആഴത്തിലും പഠിച്ചിട്ടുണ്ട്. ആശയവിനിമയം. സിലിക്കണിൻ്റെ ഇലക്ട്രോ ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേഷൻ മെക്കാനിസം പ്രധാനമായും കാരിയർ ഡിപ്ലിംഗ്-ഷൻ, കാരിയർ ഇഞ്ചക്ഷൻ, കാരിയർ അക്യുമേഷൻ എന്നിവയാണ്. അവയിൽ, മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത് ലീനിയർ ഡിഗ്രി കാരിയർ ഡിപ്ലീഷൻ മെക്കാനിസത്തിന് അനുയോജ്യമാണ്, എന്നാൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ ഫീൽഡ് ഡിസ്ട്രിബ്യൂഷൻ ഡിപ്ലിഷൻ റീജിയൻ്റെ നോൺ-യൂണിഫോർമിറ്റിയുമായി ഓവർലാപ്പ് ചെയ്യുന്നതിനാൽ, ഈ പ്രഭാവം നോൺലീനിയർ സെക്കൻഡ്-ഓർഡർ ഡിസ്റ്റോർഷനും മൂന്നാം-ഓർഡർ ഇൻ്റർമോഡുലേഷൻ ഡിസ്റ്റോർഷനും അവതരിപ്പിക്കും. നിബന്ധനകൾ, പ്രകാശത്തിൽ കാരിയറിൻ്റെ ആഗിരണം പ്രഭാവം, ഇത് ഒപ്റ്റിക്കൽ മോഡുലേഷൻ ആംപ്ലിറ്റ്യൂഡ് കുറയ്ക്കുന്നതിനും സിഗ്നൽ വികലമാക്കുന്നതിനും ഇടയാക്കും.

InP മോഡുലേറ്ററിന് മികച്ച ഇലക്ട്രോ-ഒപ്റ്റിക്കൽ ഇഫക്റ്റുകൾ ഉണ്ട്, മൾട്ടി-ലെയർ ക്വാണ്ടം വെൽ ഘടനയ്ക്ക് Vπ·L 0.156V · mm വരെ ഉയർന്ന നിരക്കും കുറഞ്ഞ ഡ്രൈവിംഗ് വോൾട്ടേജ് മോഡുലേറ്ററുകളും തിരിച്ചറിയാൻ കഴിയും. എന്നിരുന്നാലും, വൈദ്യുത മണ്ഡലവുമായുള്ള റിഫ്രാക്റ്റീവ് സൂചികയുടെ വ്യത്യാസത്തിൽ ലീനിയർ, നോൺ-ലീനിയർ പദങ്ങൾ ഉൾപ്പെടുന്നു, കൂടാതെ വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിൻ്റെ തീവ്രതയുടെ വർദ്ധനവ് രണ്ടാം-ഓർഡർ ഇഫക്റ്റിനെ പ്രമുഖമാക്കും. അതിനാൽ, സിലിക്കണും InP ഇലക്‌ട്രോ-ഒപ്‌റ്റിക് മോഡുലേറ്ററുകളും പ്രവർത്തിക്കുമ്പോൾ pn ജംഗ്ഷൻ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിന് ബയസ് പ്രയോഗിക്കേണ്ടതുണ്ട്, കൂടാതെ pn ജംഗ്ഷൻ ആഗിരണ നഷ്ടം വെളിച്ചത്ത് കൊണ്ടുവരും. എന്നിരുന്നാലും, ഇവ രണ്ടിൻ്റെയും മോഡുലേറ്റർ വലുപ്പം ചെറുതാണ്, വാണിജ്യ InP മോഡുലേറ്റർ വലുപ്പം LN മോഡുലേറ്ററിൻ്റെ 1/4 ആണ്. ഉയർന്ന മോഡുലേഷൻ കാര്യക്ഷമത, ഉയർന്ന സാന്ദ്രത, ഡാറ്റാ സെൻ്ററുകൾ പോലുള്ള ഹ്രസ്വദൂര ഡിജിറ്റൽ ഒപ്റ്റിക്കൽ ട്രാൻസ്മിഷൻ നെറ്റ്‌വർക്കുകൾക്ക് അനുയോജ്യമാണ്. ലിഥിയം നിയോബേറ്റിൻ്റെ ഇലക്‌ട്രോ-ഒപ്റ്റിക്കൽ ഇഫക്റ്റിന് പ്രകാശം ആഗിരണം ചെയ്യാനുള്ള സംവിധാനവും കുറഞ്ഞ നഷ്ടവും ഇല്ല, ഇത് ദീർഘദൂര സമന്വയത്തിന് അനുയോജ്യമാണ്.ഒപ്റ്റിക്കൽ ആശയവിനിമയംവലിയ ശേഷിയും ഉയർന്ന നിരക്കും. മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ ആപ്ലിക്കേഷനിൽ, Si, InP എന്നിവയുടെ ഇലക്‌ട്രോ-ഒപ്റ്റിക്കൽ ഗുണകങ്ങൾ രേഖീയമല്ലാത്തവയാണ്, ഇത് ഉയർന്ന രേഖീയതയും വലിയ ചലനാത്മകതയും പിന്തുടരുന്ന മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ സിസ്റ്റത്തിന് അനുയോജ്യമല്ല. പൂർണ്ണമായും ലീനിയർ ഇലക്ട്രോ ഒപ്റ്റിക് മോഡുലേഷൻ കോഫിഫിഷ്യൻ്റ് ഉള്ളതിനാൽ ലിഥിയം നിയോബേറ്റ് മെറ്റീരിയൽ മൈക്രോവേവ് ഫോട്ടോൺ പ്രയോഗത്തിന് വളരെ അനുയോജ്യമാണ്.