পাতলা ফিল্ম লিথিয়াম নিওবেট উপাদান এবং পাতলা ফিল্ম লিথিয়াম নিওবেট মডুলেটর

সমন্বিত মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তিতে পাতলা ফিল্ম লিথিয়াম নায়োবেটের সুবিধা ও তাৎপর্য

মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তিএর বৃহৎ কার্যকরী ব্যান্ডউইথ, শক্তিশালী সমান্তরাল প্রক্রিয়াকরণ ক্ষমতা এবং কম সঞ্চালন ক্ষতির মতো সুবিধা রয়েছে, যা প্রচলিত মাইক্রোওয়েভ সিস্টেমের প্রযুক্তিগত প্রতিবন্ধকতা দূর করার এবং রাডার, ইলেকট্রনিক যুদ্ধ, যোগাযোগ এবং পরিমাপ ও নিয়ন্ত্রণের মতো সামরিক ইলেকট্রনিক তথ্য সরঞ্জামের কর্মক্ষমতা উন্নত করার সম্ভাবনা রাখে। তবে, বিচ্ছিন্ন ডিভাইসের উপর ভিত্তি করে তৈরি মাইক্রোওয়েভ ফোটন সিস্টেমের কিছু সমস্যা রয়েছে, যেমন—বৃহৎ আয়তন, ভারী ওজন এবং দুর্বল স্থিতিশীলতা, যা মহাকাশযান এবং আকাশযান প্ল্যাটফর্মে মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তির প্রয়োগকে গুরুতরভাবে সীমাবদ্ধ করে। তাই, সামরিক ইলেকট্রনিক তথ্য সিস্টেমে মাইক্রোওয়েভ ফোটনের প্রয়োগের প্রতিবন্ধকতা দূর করতে এবং এর সুবিধাগুলোর পূর্ণ সদ্ব্যবহার করতে সমন্বিত মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তি একটি গুরুত্বপূর্ণ সহায়ক হয়ে উঠছে।

বর্তমানে, অপটিক্যাল কমিউনিকেশন ক্ষেত্রে বছরের পর বছর ধরে উন্নয়নের ফলে এসআই-ভিত্তিক ফোটোনিক ইন্টিগ্রেশন প্রযুক্তি এবং আইএনপি-ভিত্তিক ফোটোনিক ইন্টিগ্রেশন প্রযুক্তি ক্রমশ পরিপক্ক হয়ে উঠেছে এবং বাজারে প্রচুর পণ্য আনা হয়েছে। তবে, মাইক্রোওয়েভ ফোটনের প্রয়োগের ক্ষেত্রে এই দুই ধরনের ফোটন ইন্টিগ্রেশন প্রযুক্তিতে কিছু সমস্যা রয়েছে: উদাহরণস্বরূপ, এসআই মডুলেটর এবং আইএনপি মডুলেটরের নন-লিনিয়ার ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল কোএফিসিয়েন্ট মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তির কাঙ্ক্ষিত উচ্চ লিনিয়ারিটি এবং বৃহৎ ডায়নামিক বৈশিষ্ট্যের পরিপন্থী; যেমন, অপটিক্যাল পাথ সুইচিং বাস্তবায়নকারী সিলিকন অপটিক্যাল সুইচ, তা থার্মাল-অপটিক্যাল এফেক্ট, পিজোইলেকট্রিক এফেক্ট বা ক্যারিয়ার ইনজেকশন ডিসপারশন এফেক্টের উপর ভিত্তি করেই হোক না কেন, এতে ধীর সুইচিং গতি, বিদ্যুৎ খরচ এবং তাপ খরচের সমস্যা রয়েছে, যা দ্রুত বিম স্ক্যানিং এবং বৃহৎ অ্যারে স্কেল মাইক্রোওয়েভ ফোটন অ্যাপ্লিকেশনের চাহিদা মেটাতে পারে না।

উচ্চ গতির জন্য লিথিয়াম নিওবেট বরাবরই প্রথম পছন্দ।ইলেক্ট্রো-অপটিক মডুলেশনএর চমৎকার রৈখিক ইলেক্ট্রো-অপটিক প্রভাবের কারণে উপাদানসমূহ। তবে, ঐতিহ্যবাহী লিথিয়াম নায়োবেটইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল মডুলেটরএটি বিশাল লিথিয়াম নায়োবেট ক্রিস্টাল উপাদান দিয়ে তৈরি, এবং ডিভাইসটির আকার খুব বড়, যা ইন্টিগ্রেটেড মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তির চাহিদা মেটাতে পারে না। রৈখিক ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল সহগযুক্ত লিথিয়াম নায়োবেট উপাদানকে কীভাবে ইন্টিগ্রেটেড মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তি সিস্টেমে একীভূত করা যায়, তা সংশ্লিষ্ট গবেষকদের লক্ষ্যে পরিণত হয়েছে। ২০১৮ সালে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের হার্ভার্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের একটি গবেষক দল নেচার (Nature) জার্নালে পাতলা ফিল্ম লিথিয়াম নায়োবেটের উপর ভিত্তি করে ফোটোনিক ইন্টিগ্রেশন প্রযুক্তির বিষয়ে প্রথম প্রতিবেদন প্রকাশ করে। যেহেতু এই প্রযুক্তির উচ্চ ইন্টিগ্রেশন, বৃহৎ ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল মডুলেশন ব্যান্ডউইথ এবং ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল প্রভাবের উচ্চ রৈখিকতার মতো সুবিধা রয়েছে, তাই এটি চালু হওয়ার সাথে সাথেই ফোটোনিক ইন্টিগ্রেশন এবং মাইক্রোওয়েভ ফোটোনিক্সের ক্ষেত্রে একাডেমিক এবং শিল্প মহলের মনোযোগ আকর্ষণ করে। মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রয়োগের দৃষ্টিকোণ থেকে, এই গবেষণাপত্রটি মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রযুক্তির উন্নয়নে পাতলা ফিল্ম লিথিয়াম নায়োবেটের উপর ভিত্তি করে ফোটন ইন্টিগ্রেশন প্রযুক্তির প্রভাব এবং তাৎপর্য পর্যালোচনা করে।

পাতলা ফিল্ম লিথিয়াম নায়োবেট উপাদান এবং পাতলা ফিল্মলিথিয়াম নায়োবেট মডুলেটর
গত দুই বছরে, এক নতুন ধরনের লিথিয়াম নায়োবেট উপাদানের আবির্ভাব ঘটেছে, যেখানে "আয়ন স্লাইসিং" পদ্ধতির মাধ্যমে বিশাল লিথিয়াম নায়োবেট ক্রিস্টাল থেকে লিথিয়াম নায়োবেট ফিল্মকে এক্সফোলিয়েট করে একটি সিলিকা বাফার লেয়ারের সাহায্যে Si ওয়েফারের সাথে সংযুক্ত করা হয়, যার ফলে LNOI (LiNbO3-On-Insulator) উপাদান তৈরি হয় [5], যাকে এই গবেষণাপত্রে থিন ফিল্ম লিথিয়াম নায়োবেট উপাদান বলা হয়েছে। অপ্টিমাইজড ড্রাই এচিং প্রক্রিয়ার মাধ্যমে থিন ফিল্ম লিথিয়াম নায়োবেট উপাদানের উপর ১০০ ন্যানোমিটারের বেশি উচ্চতার রিজ ওয়েভগাইড খোদাই করা যায়, এবং গঠিত ওয়েভগাইডগুলির কার্যকর প্রতিসরাঙ্ক পার্থক্য ০.৮-এর বেশি হতে পারে (যা প্রচলিত লিথিয়াম নায়োবেট ওয়েভগাইডের ০.০২ প্রতিসরাঙ্ক পার্থক্যের চেয়ে অনেক বেশি), যেমনটি চিত্র ১-এ দেখানো হয়েছে। এই দৃঢ়ভাবে সীমাবদ্ধ ওয়েভগাইড মডুলেটর ডিজাইন করার সময় আলোক ক্ষেত্রের সাথে মাইক্রোওয়েভ ক্ষেত্রের মিল ঘটানো সহজ করে তোলে। ফলে, কম অর্ধ-তরঙ্গ ভোল্টেজ এবং কম দৈর্ঘ্যে বৃহত্তর মডুলেশন ব্যান্ডউইথ অর্জন করা সুবিধাজনক।

কম লসযুক্ত লিথিয়াম নায়োবেট সাবমাইক্রন ওয়েভগাইডের আবির্ভাব প্রচলিত লিথিয়াম নায়োবেট ইলেকট্রো-অপটিক মডুলেটরের উচ্চ ড্রাইভিং ভোল্টেজের প্রতিবন্ধকতা দূর করেছে। ইলেকট্রোডের ব্যবধান প্রায় ৫ মাইক্রোমিটারে নামিয়ে আনা যায়, এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র ও অপটিক্যাল মোড ক্ষেত্রের মধ্যে উপরিপাতন ব্যাপকভাবে বৃদ্ধি পায়, এবং vπ ·L ২০ V·cm-এর বেশি থেকে কমে ২.৮ V·cm-এর নিচে চলে আসে। ফলে, একই অর্ধ-তরঙ্গ ভোল্টেজে, প্রচলিত মডুলেটরের তুলনায় ডিভাইসটির দৈর্ঘ্য অনেক কমানো সম্ভব হয়। একই সাথে, চিত্রে দেখানো অনুযায়ী, ট্রাভেলিং ওয়েভ ইলেকট্রোডের প্রস্থ, পুরুত্ব এবং ব্যবধানের প্যারামিটারগুলো অপ্টিমাইজ করার পর, মডুলেটরটি ১০০ গিগাহার্টজের বেশি অতি-উচ্চ মডুলেশন ব্যান্ডউইথের ক্ষমতা অর্জন করতে পারে।

চিত্র ১ (ক) গণনাকৃত মোড বন্টন এবং (খ) এলএন ওয়েভগাইডের প্রস্থচ্ছেদের চিত্র

চিত্র ২ (ক) ওয়েভগাইড ও ইলেকট্রোড কাঠামো এবং (খ) এলএন মডুলেটরের কোরপ্লেট

প্রচলিত বাণিজ্যিক লিথিয়াম নিওবেট মডুলেটর, সিলিকন-ভিত্তিক মডুলেটর, ইন্ডিয়াম ফসফাইড (InP) মডুলেটর এবং অন্যান্য বিদ্যমান উচ্চ-গতির ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল মডুলেটরের সাথে থিন ফিল্ম লিথিয়াম নিওবেট মডুলেটরের তুলনার প্রধান প্যারামিটারগুলো হলো:
(1) অর্ধ-তরঙ্গ ভোল্ট-দৈর্ঘ্য গুণফল (vπ ·L, V·cm), যা মডুলেটরের মডুলেশন দক্ষতা পরিমাপ করে, এর মান যত কম হবে, মডুলেশন দক্ষতা তত বেশি হবে;
(2) 3 dB মডুলেশন ব্যান্ডউইথ (GHz), যা উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি মডুলেশনের প্রতি মডুলেটরের প্রতিক্রিয়া পরিমাপ করে;
(3) মডুলেশন অঞ্চলে অপটিক্যাল ইনসারশন লস (dB)। টেবিল থেকে দেখা যায় যে থিন ফিল্ম লিথিয়াম নায়োবেট মডুলেটরের মডুলেশন ব্যান্ডউইথ, হাফ-ওয়েভ ভোল্টেজ, অপটিক্যাল ইন্টারপোলেশন লস ইত্যাদির ক্ষেত্রে সুস্পষ্ট সুবিধা রয়েছে।

ইন্টিগ্রেটেড অপটোইলেকট্রনিক্সের ভিত্তিপ্রস্তর হিসেবে সিলিকন এখন পর্যন্ত উন্নত হয়েছে, এর উৎপাদন প্রক্রিয়া পরিপক্ক, এর ক্ষুদ্রাকরণ সক্রিয়/নিষ্ক্রিয় ডিভাইসগুলোর বৃহৎ পরিসরের ইন্টিগ্রেশনের জন্য সহায়ক, এবং অপটিক্যাল কমিউনিকেশনের ক্ষেত্রে এর মডুলেটর ব্যাপকভাবে ও গভীরভাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে। সিলিকনের ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল মডুলেশন প্রক্রিয়া প্রধানত ক্যারিয়ার ডিপ্লেশন, ক্যারিয়ার ইনজেকশন এবং ক্যারিয়ার অ্যাকুমুলেশন নিয়ে গঠিত। এদের মধ্যে, রৈখিক মাত্রার ক্যারিয়ার ডিপ্লেশন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে মডুলেটরের ব্যান্ডউইথ সর্বোত্তম হয়, কিন্তু ডিপ্লেশন অঞ্চলের অসমতার কারণে অপটিক্যাল ফিল্ড ডিস্ট্রিবিউশন ওভারল্যাপ করে, যা নন-লিনিয়ার সেকেন্ড-অর্ডার ডিস্টরশন এবং থার্ড-অর্ডার ইন্টারমডুলেশন ডিস্টরশন টার্ম তৈরি করে। এর সাথে আলোর উপর ক্যারিয়ারের শোষণ প্রভাব যুক্ত হয়ে অপটিক্যাল মডুলেশন অ্যামপ্লিচিউড হ্রাস এবং সিগন্যাল ডিস্টরশন ঘটায়।

InP মডুলেটরের চমৎকার ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল প্রভাব রয়েছে, এবং এর মাল্টি-লেয়ার কোয়ান্টাম ওয়েল কাঠামো 0.156V · mm পর্যন্ত Vπ·L সহ অতি-উচ্চ হার এবং কম ড্রাইভিং ভোল্টেজের মডুলেটর তৈরি করতে পারে। তবে, বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের সাথে প্রতিসরাঙ্কের পরিবর্তনে রৈখিক এবং অরৈখিক উভয় উপাদানই থাকে, এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের তীব্রতা বৃদ্ধি পেলে দ্বিতীয়-ক্রমের প্রভাব প্রকট হয়ে ওঠে। তাই, সিলিকন এবং InP ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল মডুলেটর কাজ করার সময় pn জংশন গঠনের জন্য বায়াস প্রয়োগ করতে হয়, এবং pn জংশন আলোর শোষণজনিত ক্ষতি ঘটায়। তবে, এই দুটির মডুলেটরের আকার ছোট; বাণিজ্যিক InP মডুলেটরের আকার LN মডুলেটরের আকারের ১/৪ ভাগ। এর মডুলেশন দক্ষতা বেশি, যা ডেটা সেন্টারের মতো উচ্চ ঘনত্ব এবং স্বল্প দূরত্বের ডিজিটাল অপটিক্যাল ট্রান্সমিশন নেটওয়ার্কের জন্য উপযুক্ত। লিথিয়াম নায়োবেটের ইলেক্ট্রো-অপটিক্যাল প্রভাবে কোনো আলো শোষণ প্রক্রিয়া নেই এবং এর ক্ষতি কম, যা দীর্ঘ দূরত্বের কোহেরেন্ট ট্রান্সমিশনের জন্য উপযুক্ত।অপটিক্যাল যোগাযোগবৃহৎ ধারণক্ষমতা এবং উচ্চ হার সহ। মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রয়োগের ক্ষেত্রে, Si এবং InP-এর তড়িৎ-আলোকীয় সহগগুলি অরৈখিক, যা উচ্চ রৈখিকতা এবং বৃহৎ গতিশীলতা অনুসরণকারী মাইক্রোওয়েভ ফোটন সিস্টেমের জন্য উপযুক্ত নয়। লিথিয়াম নায়োবেট উপাদানটি তার সম্পূর্ণ রৈখিক তড়িৎ-আলোকীয় মডুলেশন সহগের কারণে মাইক্রোওয়েভ ফোটন প্রয়োগের জন্য অত্যন্ত উপযুক্ত।