پتلی فلم لتیم نیبیٹ مواد اور پتلی فلم لتیم نیبیٹ ماڈیولیٹر

انٹیگریٹڈ مائیکرو ویو فوٹوون ٹیکنالوجی میں پتلی فلم لیتھیم نیبیٹ کے فوائد اور اہمیت

مائکروویو فوٹون ٹیکنالوجیاس میں بڑی کام کرنے والی بینڈوتھ، مضبوط متوازی پروسیسنگ کی صلاحیت اور کم ٹرانسمیشن نقصان کے فوائد ہیں، جو روایتی مائکروویو سسٹم کی تکنیکی رکاوٹ کو توڑنے اور ملٹری الیکٹرانک انفارمیشن آلات جیسے ریڈار، الیکٹرانک وارفیئر، کمیونیکیشن اور پیمائش اور کنٹرول کی کارکردگی کو بہتر بنانے کی صلاحیت رکھتے ہیں۔ تاہم، مجرد آلات پر مبنی مائیکرو ویو فوٹون سسٹم میں کچھ مسائل ہیں جیسے بڑے حجم، بھاری وزن اور کمزور استحکام، جو خلائی اور ہوا سے چلنے والے پلیٹ فارمز میں مائیکرو ویو فوٹوون ٹیکنالوجی کے استعمال کو سنجیدگی سے روکتے ہیں۔ لہٰذا، انٹیگریٹڈ مائیکرو ویو فوٹون ٹیکنالوجی ملٹری الیکٹرانک انفارمیشن سسٹم میں مائیکرو ویو فوٹوون کے اطلاق کو توڑنے اور مائیکرو ویو فوٹون ٹیکنالوجی کے فوائد کو پورا کرنے کے لیے ایک اہم معاون بن رہی ہے۔

فی الحال، SI پر مبنی فوٹوونک انٹیگریشن ٹکنالوجی اور INP پر مبنی فوٹوونک انٹیگریشن ٹیکنالوجی آپٹیکل کمیونیکیشن کے میدان میں برسوں کی ترقی کے بعد زیادہ سے زیادہ پختہ ہو گئی ہیں، اور بہت ساری مصنوعات مارکیٹ میں ڈال دی گئی ہیں۔ تاہم، مائیکرو ویو فوٹون کے اطلاق کے لیے، ان دو قسم کی فوٹوون انٹیگریشن ٹیکنالوجیز میں کچھ مسائل ہیں: مثال کے طور پر، Si modulator اور InP ماڈیولیٹر کا نان لائنر الیکٹرو آپٹیکل گتانک مائیکرو ویو فوٹوون ٹیکنالوجی کے ذریعے چلنے والی اعلی لکیریٹی اور بڑی متحرک خصوصیات کے برعکس ہے۔ مثال کے طور پر، سلیکن آپٹیکل سوئچ جو آپٹیکل پاتھ سوئچنگ کا احساس کرتا ہے، چاہے تھرمل-آپٹیکل اثر، پیزو الیکٹرک اثر، یا کیریئر انجیکشن ڈسپریشن اثر پر مبنی ہو، اس میں سست سوئچنگ کی رفتار، بجلی کی کھپت اور گرمی کی کھپت کے مسائل ہیں، جو تیز بیم اسکیننگ اور بڑے فوٹو آریو اسکیننگ کو پورا نہیں کرسکتے۔

تیز رفتاری کے لیے لیتھیم نائوبیٹ ہمیشہ سے پہلا انتخاب رہا ہے۔الیکٹرو آپٹک ماڈیولیشناس کے بہترین لکیری الیکٹرو آپٹک اثر کی وجہ سے مواد۔ تاہم، روایتی لتیم niobateالیکٹرو آپٹیکل ماڈیولیٹربڑے پیمانے پر لتیم نائوبیٹ کرسٹل مواد سے بنا ہے، اور ڈیوائس کا سائز بہت بڑا ہے، جو مربوط مائکروویو فوٹوون ٹیکنالوجی کی ضروریات کو پورا نہیں کر سکتا۔ مربوط مائیکرو ویو فوٹون ٹیکنالوجی سسٹم میں لکیری الیکٹرو آپٹیکل گتانک کے ساتھ لیتھیم نائوبیٹ مواد کو کیسے ضم کرنا متعلقہ محققین کا ہدف بن گیا ہے۔ 2018 میں، ریاستہائے متحدہ میں ہارورڈ یونیورسٹی کی ایک تحقیقی ٹیم نے پہلی بار فطرت میں پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ پر مبنی فوٹوونک انضمام ٹیکنالوجی کی اطلاع دی، کیونکہ اس ٹیکنالوجی میں ہائی انٹیگریشن، بڑے الیکٹرو آپٹیکل ماڈیولیشن بینڈوڈتھ، اور الیکٹرو آپٹیکل اثر کی اعلی لکیری کے فوائد ہیں، ایک بار لانچ ہونے کے بعد، اس نے فوری طور پر فوٹوونک انٹیگریشن ٹیکنالوجی اور مائیکرو ٹیگ اور فوٹو گرافی کے شعبے میں توجہ مرکوز کی۔ مائیکرو ویو فوٹون ایپلی کیشن کے نقطہ نظر سے، یہ مقالہ مائیکرو ویو فوٹوون ٹیکنالوجی کی ترقی پر پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ پر مبنی فوٹوون انٹیگریشن ٹیکنالوجی کے اثر و رسوخ اور اہمیت کا جائزہ لیتا ہے۔

پتلی فلم لتیم نیبیٹ مواد اور پتلی فلملتیم نائوبیٹ ماڈیولر
حالیہ دو سالوں میں، ایک نئی قسم کا لتیم نائوبیٹ مواد سامنے آیا ہے، یعنی لیتھیم نائوبیٹ فلم کو بڑے پیمانے پر لیتھیم نائوبیٹ کرسٹل سے "آئن سلائسنگ" کے طریقے سے نکالا جاتا ہے اور سی ویفر کے ساتھ سلیکا بفر کی تہہ کے ساتھ جوڑ کر LNOI (LiNbO3-On) کہا جاتا ہے جسے فلم بنایا جاتا ہے۔ اس کاغذ میں لتیم نیبیٹ مواد. 100 نینو میٹر سے زیادہ کی اونچائی والے رج ویو گائیڈز کو پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ مواد پر بہتر خشک اینچنگ کے عمل کے ذریعے اینچ کیا جا سکتا ہے، اور تشکیل شدہ ویو گائیڈز کا موثر ریفریکٹیو انڈیکس فرق 0.8 سے زیادہ تک پہنچ سکتا ہے (روایتی لیتھیم نائوبیٹ کے روایتی لیتھیم نائوبیٹ کے اضطراری انڈیکس فرق سے کہیں زیادہ)۔ سختی سے محدود ویو گائیڈ ماڈیولیٹر کو ڈیزائن کرتے وقت لائٹ فیلڈ کو مائکروویو فیلڈ کے ساتھ ملانا آسان بناتا ہے۔ اس طرح، کم لمبائی میں نصف لہر وولٹیج اور بڑی ماڈیولیشن بینڈوتھ حاصل کرنا فائدہ مند ہے۔

کم نقصان والے لیتھیم نائوبیٹ سب مائکرون ویو گائیڈ کی ظاہری شکل روایتی لتیم نائوبیٹ الیکٹرو آپٹک ماڈیولیٹر کے ہائی ڈرائیونگ وولٹیج کی رکاوٹ کو توڑ دیتی ہے۔ الیکٹروڈ سپیسنگ کو ~ 5 μm تک کم کیا جا سکتا ہے، اور الیکٹرک فیلڈ اور آپٹیکل موڈ فیلڈ کے درمیان اوورلیپ بہت بڑھ گیا ہے، اور vπ ·L 20 V·cm سے زیادہ سے 2.8 V·cm سے کم ہو جاتا ہے۔ لہذا، اسی آدھی لہر وولٹیج کے تحت، روایتی ماڈیولر کے مقابلے میں آلہ کی لمبائی بہت کم کی جا سکتی ہے۔ ایک ہی وقت میں، ٹریولنگ ویو الیکٹروڈ کی چوڑائی، موٹائی اور وقفہ کے پیرامیٹرز کو بہتر بنانے کے بعد، جیسا کہ شکل میں دکھایا گیا ہے، ماڈیولیٹر 100 گیگا ہرٹز سے زیادہ الٹرا ہائی ماڈیولیشن بینڈوتھ کی صلاحیت رکھتا ہے۔

تصویر 1 （a） کیلکولیٹڈ موڈ ڈسٹری بیوشن اور （b） LN ویو گائیڈ کے کراس سیکشن کی تصویر

تصویر 2 (a) ویو گائیڈ اور الیکٹروڈ کا ڈھانچہ اور (b) LN ماڈیولیٹر کا کوریپلیٹ

پتلی فلم لیتھیم نیوبیٹ ماڈیولٹرز کا روایتی لیتھیم نیبیٹ کمرشل ماڈیولٹرز، سلکان پر مبنی ماڈیولٹرز اور انڈیم فاسفائیڈ (آئی این پی) ماڈیولٹرز اور دیگر موجودہ ہائی اسپیڈ الیکٹرو آپٹیکل ماڈیولٹرز کے ساتھ موازنہ، موازنہ کے اہم پیرامیٹرز میں شامل ہیں:
(1) نصف لہر وولٹ کی لمبائی کی مصنوعات (vπ ·L، V·cm)، ماڈیولیٹر کی ماڈیولیشن کی کارکردگی کی پیمائش، قدر جتنی چھوٹی ہوگی، ماڈیولیشن کی کارکردگی اتنی ہی زیادہ ہوگی۔
(2) 3 dB ماڈیولیشن بینڈوتھ (GHz)، جو ہائی فریکوئنسی ماڈیولیشن پر ماڈیولر کے ردعمل کی پیمائش کرتا ہے۔
(3) ماڈیولیشن کے علاقے میں آپٹیکل اندراج نقصان (dB)۔ یہ ٹیبل سے دیکھا جا سکتا ہے کہ پتلی فلم لیتھیم نیوبیٹ ماڈیولیٹر کے ماڈیولیشن بینڈوتھ، ہاف ویو وولٹیج، آپٹیکل انٹرپولیشن نقصان وغیرہ میں واضح فوائد ہیں۔

سلیکون، مربوط آپٹو الیکٹرانکس کے سنگ بنیاد کے طور پر، اب تک تیار کیا گیا ہے، یہ عمل پختہ ہے، اس کا چھوٹا ہونا فعال/غیر فعال آلات کے بڑے پیمانے پر انضمام کے لیے موزوں ہے، اور اس کے ماڈیولر کا آپٹیکل کمیونیکیشن کے میدان میں وسیع پیمانے پر اور گہرائی سے مطالعہ کیا گیا ہے۔ سلکان کا الیکٹرو آپٹیکل ماڈیولیشن میکانزم بنیادی طور پر کیریئر ڈیپلنگ، کیریئر انجیکشن اور کیریئر جمع ہے۔ ان میں سے، ماڈیولیٹر کی بینڈوڈتھ لکیری ڈگری کیریئر ڈیپلیشن میکانزم کے ساتھ بہترین ہے، لیکن چونکہ آپٹیکل فیلڈ ڈسٹری بیوشن ڈیپلیشن ریجن کی عدم یکسانیت کے ساتھ اوورلیپ ہوتا ہے، اس لیے یہ اثر نان لائنر سیکنڈ آرڈر ڈسٹورشن اور تھرڈ آرڈر انٹرموڈولیشن ڈسٹورشن اصطلاحات متعارف کرائے گا، جس کے ساتھ مل کر کار کی روشنی پر اثر پڑے گا۔ آپٹیکل ماڈیولیشن طول و عرض اور سگنل کی مسخ۔

InP ماڈیولیٹر کے شاندار الیکٹرو آپٹیکل اثرات ہیں، اور ملٹی لیئر کوانٹم ویل ڈھانچہ Vπ·L 0.156V · ملی میٹر کے ساتھ انتہائی ہائی ریٹ اور کم ڈرائیونگ وولٹیج ماڈیولٹرز کو محسوس کر سکتا ہے۔ تاہم، الیکٹرک فیلڈ کے ساتھ ریفریکٹیو انڈیکس کے تغیر میں لکیری اور نان لائنر اصطلاحات شامل ہیں، اور برقی میدان کی شدت میں اضافہ دوسرے ترتیب کے اثر کو نمایاں کرے گا۔ لہذا، سلیکون اور InP الیکٹرو آپٹک ماڈیولٹرز کو pn جنکشن بنانے کے لیے تعصب کا اطلاق کرنے کی ضرورت ہے جب وہ کام کرتے ہیں، اور pn جنکشن جذب ہونے کے نقصان کو روشنی میں لائے گا۔ تاہم، ان دونوں کا ماڈیولر سائز چھوٹا ہے، کمرشل InP ماڈیولیٹر کا سائز LN ماڈیولیٹر کا 1/4 ہے۔ ہائی ماڈیولیشن کی کارکردگی، اعلی کثافت اور مختصر فاصلے کے ڈیجیٹل آپٹیکل ٹرانسمیشن نیٹ ورکس جیسے ڈیٹا سینٹرز کے لیے موزوں ہے۔ لتیم نیوبیٹ کے الیکٹرو آپٹیکل اثر میں روشنی جذب کرنے کا کوئی طریقہ کار اور کم نقصان نہیں ہے، جو کہ طویل فاصلے کے ہم آہنگی کے لیے موزوں ہے۔آپٹیکل مواصلاتبڑی صلاحیت اور اعلی شرح کے ساتھ۔ مائیکرو ویو فوٹون ایپلی کیشن میں، Si اور InP کے الیکٹرو آپٹیکل گتانک نان لائنر ہیں، جو کہ مائکرو ویو فوٹون سسٹم کے لیے موزوں نہیں ہے جو کہ اعلی لکیری اور بڑی حرکیات کا پیچھا کرتا ہے۔ لیتھیم نائوبیٹ مواد مائکروویو فوٹوون ایپلی کیشن کے لیے بہت موزوں ہے کیونکہ اس کی مکمل لکیری الیکٹرو آپٹک ماڈیولیشن گتانک ہے۔