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 مائیکرو ویو سسٹم کی تکنیکی رکاوٹ کو توڑنے اور ملٹری الیکٹرانک انفارمیشن آلات جیسے ریڈار، الیکٹرانک وارفیئر، مواصلات اور پیمائش کی کارکردگی کو بہتر بنانے کی صلاحیت رکھتے ہیں۔ کنٹرول 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 فوٹوون 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 کی طرف سے پیروی کی جانے والی اعلی لکیری اور بڑی متحرک خصوصیات کے برعکس ہے۔ فوٹون ٹیکنالوجی؛ مثال کے طور پر، سلیکون 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 تیزی سے پورا نہیں کر سکتے۔ بیم اسکیننگ اور بڑے سرنی پیمانے پر مائکروویو فوٹوون ایپلی کیشنز۔

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 انٹیگریشن ٹیکنالوجی کی اطلاع دی، کیونکہ اس ٹیکنالوجی میں ہائی انٹیگریشن، بڑی الیکٹرو آپٹیکل ماڈیولیشن بینڈوڈتھ، اور الیکٹرو کی اعلی لکیریٹی کے فوائد ہیں۔ -آپٹیکل اثر، ایک بار شروع ہونے کے بعد، یہ فوری طور پر فوٹوونک انضمام اور مائکروویو فوٹوونکس کے میدان میں تعلیمی اور صنعتی توجہ کا باعث بنتا ہے۔ 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 طریقہ کار سے نکال کر سیلیکا بفر پرت کے ساتھ سی ویفر سے جوڑا جاتا ہے۔ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) مواد [5]، جسے اس مقالے میں پتلی فلم لیتھیم نائوبیٹ مواد کہا جاتا ہے۔ 100 نینو میٹر سے زیادہ اونچائی والے رج ویو گائیڈز کو پتلی فلم لیتھیم نیوبیٹ 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 ریفریکٹیو انڈیکس فرق سے کہیں زیادہ۔ 0.02 کے لیتھیم نائوبیٹ ویو گائیڈز)، جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔ 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 بینڈوڈتھ (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 کے شعبے میں وسیع پیمانے پر اور گہرائی سے مطالعہ کیا گیا ہے۔ مواصلات سلکان کا الیکٹرو آپٹیکل ماڈیولیشن میکانزم بنیادی طور پر کیریئر ڈیپلنگ، کیریئر انجیکشن اور کیریئر جمع ہے۔ ان میں سے، ماڈیولیٹر کی بینڈوتھ لکیری ڈگری کیریئر ڈیپلیشن میکانزم کے ساتھ بہترین ہے، لیکن چونکہ آپٹیکل فیلڈ ڈسٹری بیوشن کمی کے علاقے کی عدم یکسانیت کے ساتھ اوورلیپ ہوتا ہے، اس لیے یہ اثر نان لائنر سیکنڈ آرڈر ڈسٹورشن اور تھرڈ آرڈر انٹرموڈولیشن ڈسٹورشن کو متعارف کرائے گا۔ شرائط، روشنی پر کیریئر کے جذب اثر کے ساتھ مل کر، جو آپٹیکل ماڈیولیشن طول و عرض میں کمی اور سگنل کی تحریف کا باعث بنے گی۔

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۔