ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงประสิทธิภาพสูง: ตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

อุปกรณ์ปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง:ตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสง (ตัวปรับ EOMตัวปรับสัญญาณ (Modulator) สร้างขึ้นโดยใช้ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเชิงแสงของผลึกไฟฟ้าเชิงแสงบางชนิด ซึ่งสามารถแปลงสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงในอุปกรณ์สื่อสารให้เป็นสัญญาณแสงได้ เมื่อผลึกไฟฟ้าเชิงแสงได้รับสนามไฟฟ้า ดัชนีหักเหของผลึกไฟฟ้าเชิงแสงจะเปลี่ยนแปลง และลักษณะคลื่นแสงของผลึกก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ทำให้สามารถปรับแอมพลิจูด เฟส และสถานะโพลาไรเซชันของสัญญาณแสง และแปลงสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงในอุปกรณ์สื่อสารให้เป็นสัญญาณแสงผ่านการปรับสัญญาณได้

ในปัจจุบัน มีประเภทหลักๆ อยู่ 3 ประเภทตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกในตลาดมี: ตัวปรับสัญญาณแบบซิลิคอน ตัวปรับสัญญาณแบบอินเดียมฟอสไฟด์ และฟิล์มบางตัวปรับแต่งลิเธียมไนโอเบตในบรรดาวัสดุเหล่านี้ ซิลิคอนไม่มีค่าสัมประสิทธิ์ทางไฟฟ้าและแสงโดยตรง ประสิทธิภาพจึงค่อนข้างทั่วไป เหมาะสำหรับการผลิตโมดูลตัวรับส่งสัญญาณข้อมูลระยะสั้นเท่านั้น ในขณะที่อินเดียมฟอสไฟด์แม้จะเหมาะสำหรับโมดูลตัวรับส่งสัญญาณเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงระยะกลางถึงไกล แต่กระบวนการรวมวงจรมีความต้องการสูงมาก ต้นทุนค่อนข้างสูง และการใช้งานก็มีข้อจำกัดบางประการ ในทางตรงกันข้าม ผลึกลิเธียมไนโอเบตไม่เพียงแต่มีปรากฏการณ์ทางแสงมากมาย เช่น ปรากฏการณ์โฟโตเรฟรักทีฟ ปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้น ปรากฏการณ์อิเล็กโทรออปติก ปรากฏการณ์อะคูสติกออปติก ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก และปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก แต่ด้วยโครงสร้างแลตติสและโครงสร้างที่มีข้อบกพร่องมากมาย ทำให้คุณสมบัติหลายอย่างของลิเธียมไนโอเบตสามารถควบคุมได้อย่างมากโดยองค์ประกอบของผลึก การเจือปนธาตุ การควบคุมสถานะวาเลนซ์ ฯลฯ ทำให้ได้ประสิทธิภาพทางแสงที่เหนือกว่า เช่น ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกสูงถึง 30.9 pm/V ซึ่งสูงกว่าอินเดียมฟอสไฟด์อย่างมาก และมีปรากฏการณ์ชิปเอฟเฟกต์น้อย (ชิปเอฟเฟกต์: หมายถึงปรากฏการณ์ที่ความถี่ภายในพัลส์เปลี่ยนแปลงตามเวลาในระหว่างกระบวนการส่งพัลส์เลเซอร์ ชิปเอฟเฟกต์ที่มากขึ้นส่งผลให้มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนต่ำลงและเกิดปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้น) อัตราส่วนการดับที่ดี (อัตราส่วนกำลังเฉลี่ยของสถานะ "เปิด" ของสัญญาณต่อสถานะ "ปิด") และความเสถียรของอุปกรณ์ที่เหนือกว่า นอกจากนี้ กลไกการทำงานของตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางยังแตกต่างจากตัวปรับสัญญาณที่ใช้ซิลิคอนและอินเดียมฟอสไฟด์ซึ่งใช้วิธีการมอดูเลชันแบบไม่เชิงเส้น โดยตัวปรับสัญญาณแบบเชิงเส้นจะใช้ผลทางไฟฟ้าเชิงแสงในการโหลดสัญญาณที่ถูกมอดูเลชันด้วยไฟฟ้าลงบนตัวพาแสง และอัตราการมอดูเลชันส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดไมโครเวฟ ดังนั้นจึงสามารถบรรลุความเร็วและความเป็นเชิงเส้นในการมอดูเลชันที่สูงขึ้น รวมถึงการใช้พลังงานที่ต่ำลงได้ จากที่กล่าวมาข้างต้น ลิเธียมไนโอเบตจึงกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการเตรียมตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงประสิทธิภาพสูง ซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายในเครือข่ายการสื่อสารด้วยแสงแบบโคฮีเรนต์ 100G/400G และศูนย์ข้อมูลความเร็วสูงพิเศษ และสามารถส่งสัญญาณได้ในระยะทางไกลกว่า 100 กิโลเมตร

ลิเธียมไนโอเบตเป็นวัสดุที่พลิกโฉมวงการ "การปฏิวัติโฟตอน" แม้ว่าเมื่อเทียบกับซิลิคอนและอินเดียมฟอสไฟด์จะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มักปรากฏในรูปของวัสดุขนาดใหญ่ในอุปกรณ์ แสงถูกจำกัดอยู่ในท่อนำคลื่นระนาบที่เกิดจากการแพร่ของไอออนหรือการแลกเปลี่ยนโปรตอน ความแตกต่างของดัชนีหักเหมักค่อนข้างน้อย (ประมาณ 0.02) และขนาดของอุปกรณ์ค่อนข้างใหญ่ ทำให้ยากที่จะตอบสนองความต้องการด้านการย่อขนาดและการรวมวงจรอุปกรณ์ทางแสงและสายการผลิตของมันยังคงแตกต่างจากสายการผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์จริง อีกทั้งยังมีปัญหาเรื่องต้นทุนสูง ดังนั้นการขึ้นรูปฟิล์มบางจึงเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญสำหรับลิเธียมไนโอเบตที่ใช้ในตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า