โมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกประสิทธิภาพสูง: โมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

โมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกประสิทธิภาพสูง:โมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ตัวปรับแสงไฟฟ้า (โมดูเลเตอร์ EOM) คือตัวปรับเปลี่ยนสัญญาณที่ผลิตขึ้นโดยใช้เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกของคริสตัลอิเล็กโทรออปติกบางชนิด ซึ่งสามารถแปลงสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงในอุปกรณ์สื่อสารเป็นสัญญาณออปติกได้ เมื่อคริสตัลอิเล็กโทรออปติกถูกนำไปใช้ในสนามไฟฟ้า ดัชนีการหักเหของคริสตัลอิเล็กโทรออปติกจะเปลี่ยนแปลง และลักษณะของคลื่นแสงของคริสตัลก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย เพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนแอมพลิจูด เฟส และสถานะโพลาไรเซชันของสัญญาณออปติกได้ และแปลงสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงในอุปกรณ์สื่อสารเป็นสัญญาณออปติกผ่านการดัดแปลงสัญญาณ

ในปัจจุบันมีอยู่ 3 ประเภทหลักๆเครื่องควบคุมแสงไฟฟ้าในตลาด: ตัวปรับเปลี่ยนที่ใช้ซิลิกอน ตัวปรับเปลี่ยนอินเดียมฟอสไฟด์ และฟิล์มบางโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบต. ในกลุ่มนี้ ซิลิกอนไม่มีค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกโดยตรง ประสิทธิภาพจะทั่วไปกว่า เหมาะสำหรับการผลิตโมดูลโมดูเลเตอร์ทรานซีฟเวอร์การส่งข้อมูลระยะสั้นเท่านั้น ฟอสไฟด์อินเดียมเหมาะสำหรับโมดูลทรานซีฟเวอร์เครือข่ายการสื่อสารออปติกระยะทางกลางถึงไกล แต่ข้อกำหนดของกระบวนการผสานรวมนั้นสูงมาก ต้นทุนค่อนข้างสูง และการใช้งานอาจมีข้อจำกัดบางประการ ในทางตรงกันข้าม ผลึกลิเธียมไนโอเบตไม่เพียงแต่มีเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เอฟเฟกต์การหักเหแสงแบบตั้งค่า เอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้น เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติก เอฟเฟกต์ออปติกอะคูสติก เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก และเอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริกที่เท่ากันเท่านั้น และด้วยโครงสร้างโครงตาข่ายและโครงสร้างข้อบกพร่องที่หลากหลาย คุณสมบัติหลายประการของลิเธียมไนโอเบตจึงสามารถควบคุมได้อย่างมากด้วยองค์ประกอบของผลึก การเจือองค์ประกอบ การควบคุมสถานะวาเลนซ์ ฯลฯ บรรลุประสิทธิภาพโฟโตอิเล็กทริกที่เหนือกว่า เช่น ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกสูงถึง 30.9pm/V สูงกว่าอินเดียมฟอสไฟด์อย่างมาก และมีเอฟเฟกต์เสียงแหลมเล็กน้อย (เอฟเฟกต์เสียงแหลม: หมายถึงปรากฏการณ์ที่ความถี่ภายในพัลส์เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาในระหว่างกระบวนการส่งสัญญาณพัลส์เลเซอร์ เอฟเฟกต์เสียงแหลมที่มากขึ้นส่งผลให้มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ต่ำลงและเอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้น) อัตราส่วนการสูญพันธุ์ที่ดี (อัตราส่วนพลังงานเฉลี่ยของสถานะ "เปิด" ของสัญญาณต่อสถานะ "ปิด") และความเสถียรของอุปกรณ์ที่เหนือกว่า นอกจากนี้กลไกการทำงานของโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางยังแตกต่างจากโมดูเลเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนและโมดูเลเตอร์อินเดียมฟอสไฟด์โดยใช้การมอดูเลตแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งใช้เอฟเฟกต์แสงไฟฟ้าเชิงเส้นเพื่อโหลดสัญญาณที่มอดูเลตไฟฟ้าลงบนตัวพาแสง และอัตราการมอดูเลตนั้นถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดไมโครเวฟเป็นหลัก จึงสามารถบรรลุความเร็วและความเป็นเส้นตรงของมอดูเลตที่สูงขึ้น รวมถึงการใช้พลังงานที่ลดลง จากที่กล่าวมาข้างต้น ลิเธียมไนโอเบตจึงกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการเตรียมโมดูเลเตอร์แสงไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง ซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายในเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงแบบสอดคล้องกัน 100G/400G และศูนย์ข้อมูลความเร็วสูงพิเศษ และสามารถบรรลุระยะการส่งข้อมูลที่ยาวนานกว่า 100 กิโลเมตร

ลิเธียมไนโอเบตเป็นวัสดุที่ทำลายล้างของ "การปฏิวัติโฟตอน" แม้ว่าเมื่อเทียบกับซิลิกอนและอินเดียมฟอสไฟด์จะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มักปรากฏในรูปแบบของวัสดุจำนวนมากในอุปกรณ์ แสงถูกจำกัดอยู่ที่ท่อนำคลื่นระนาบที่เกิดจากการแพร่กระจายของไอออนหรือการแลกเปลี่ยนโปรตอน ความแตกต่างของดัชนีหักเหแสงมักจะค่อนข้างเล็ก (ประมาณ 0.02) ขนาดอุปกรณ์ค่อนข้างใหญ่ เป็นการยากที่จะตอบสนองความต้องการในการย่อส่วนและบูรณาการอุปกรณ์ออปติคอลและสายการผลิตยังแตกต่างจากสายการผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์จริง และมีปัญหาเรื่องต้นทุนที่สูง ดังนั้น การสร้างฟิล์มบางจึงเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของลิเธียมไนโอเบตที่ใช้ในตัวควบคุมไฟฟ้าออปติก