ตัวปรับแสงไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง: ตัวปรับลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ตัวปรับคลื่นไฟฟ้าออปติกประสิทธิภาพสูง:ตัวปรับลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ตัวปรับแสงไฟฟ้า (โมดูเลเตอร์ EOM) คือตัวปรับสัญญาณที่ผลิตขึ้นโดยใช้เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกของผลึกอิเล็กโทรออปติกบางชนิด ซึ่งสามารถแปลงสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงในอุปกรณ์สื่อสารให้เป็นสัญญาณแสงได้ เมื่อผลึกอิเล็กโทรออปติกถูกนำไปสัมผัสกับสนามไฟฟ้า ดัชนีหักเหของผลึกอิเล็กโทรออปติกจะเปลี่ยนแปลง และลักษณะของคลื่นแสงของผลึกก็จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย เพื่อให้สามารถปรับเปลี่ยนแอมพลิจูด เฟส และสถานะโพลาไรเซชันของสัญญาณแสง และแปลงสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูงในอุปกรณ์สื่อสารให้เป็นสัญญาณแสงผ่านการมอดูเลต

ในปัจจุบันมีสามประเภทหลักๆตัวปรับแสงไฟฟ้าในตลาด: ตัวปรับเปลี่ยนที่ใช้ซิลิกอน ตัวปรับเปลี่ยนอินเดียมฟอสไฟด์ และฟิล์มบางโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตในกลุ่มนี้ ซิลิกอนไม่มีค่าสัมประสิทธิ์ทางไฟฟ้า-แสงโดยตรง ประสิทธิภาพจะทั่วไปกว่า เหมาะสำหรับการผลิตโมดูลมอดูเลเตอร์ตัวรับส่งสัญญาณการส่งข้อมูลระยะสั้นเท่านั้น แม้ว่าอินเดียมฟอสไฟด์จะเหมาะสำหรับโมดูลตัวรับส่งสัญญาณเครือข่ายการสื่อสารทางแสงระยะกลางถึงไกล แต่ข้อกำหนดของกระบวนการผสานรวมนั้นสูงมาก ต้นทุนค่อนข้างสูง และการใช้งานก็มีข้อจำกัดบางประการ ในทางตรงกันข้าม ผลึกลิเธียมไนโอเบตไม่เพียงแต่อุดมไปด้วยเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เอฟเฟกต์การหักเหแสงแบบตั้งฉาก เอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้น เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติก เอฟเฟกต์ออปติกอะคูสติก เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก และเอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริก ซึ่งล้วนมีค่าเท่ากัน และด้วยโครงสร้างแบบแลตทิซและโครงสร้างข้อบกพร่องที่หลากหลาย คุณสมบัติหลายประการของลิเธียมไนโอเบตจึงสามารถควบคุมได้อย่างมากโดยองค์ประกอบของผลึก การเจือองค์ประกอบ การควบคุมสถานะวาเลนซ์ และอื่นๆ บรรลุประสิทธิภาพโฟโตอิเล็กทริกที่เหนือกว่า เช่น ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกสูงถึง 30.9pm/V ซึ่งสูงกว่าอินเดียมฟอสไฟด์อย่างมาก และมีเอฟเฟกต์เสียงแหลมเล็กน้อย (เอฟเฟกต์เสียงแหลม: หมายถึงปรากฏการณ์ที่ความถี่ภายในพัลส์เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาในระหว่างกระบวนการส่งสัญญาณพัลส์เลเซอร์ เอฟเฟกต์เสียงแหลมที่มากขึ้นส่งผลให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนต่ำลงและเอฟเฟกต์ไม่เชิงเส้น) อัตราส่วนการดับสัญญาณที่ดี (อัตราส่วนกำลังเฉลี่ยของสัญญาณในสถานะ "เปิด" ต่อสถานะ "ปิด") และความเสถียรของอุปกรณ์ที่เหนือกว่า นอกจากนี้ กลไกการทำงานของโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางยังแตกต่างจากโมดูเลเตอร์ซิลิคอนและโมดูเลเตอร์อินเดียมฟอสไฟด์ โดยใช้วิธีการโมดูเลชั่นแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งใช้เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกเชิงเส้นเพื่อโหลดสัญญาณที่โมดูเลชั่นทางไฟฟ้าลงบนพาหะนำแสง และอัตราการโมดูเลชั่นถูกกำหนดโดยประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดไมโครเวฟเป็นหลัก จึงทำให้ได้ความเร็วและความเป็นเชิงเส้นที่สูงขึ้น รวมถึงการใช้พลังงานที่ลดลง จากที่กล่าวมา ลิเธียมไนโอเบตจึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกประสิทธิภาพสูง ซึ่งมีการใช้งานที่หลากหลายในเครือข่ายการสื่อสารออปติกแบบโคฮีเรนต์ 100G/400G และศูนย์ข้อมูลความเร็วสูงพิเศษ และสามารถส่งสัญญาณได้ไกลกว่า 100 กิโลเมตร

ลิเธียมไนโอเบตเป็นวัสดุที่ล้มล้าง “การปฏิวัติโฟตอน” แม้ว่าเมื่อเทียบกับซิลิกอนและอินเดียมฟอสไฟด์จะมีข้อดีหลายประการ แต่มักปรากฏอยู่ในรูปของวัสดุจำนวนมากในอุปกรณ์ แสงจะถูกจำกัดอยู่ที่ท่อนำคลื่นระนาบที่เกิดจากการแพร่กระจายของไอออนหรือการแลกเปลี่ยนโปรตอน ความแตกต่างของดัชนีหักเหมักจะค่อนข้างน้อย (ประมาณ 0.02) และขนาดอุปกรณ์ค่อนข้างใหญ่ เป็นการยากที่จะตอบสนองความต้องการในการย่อส่วนและบูรณาการอุปกรณ์ออปติคัลและสายการผลิตยังแตกต่างจากสายการผลิตไมโครอิเล็กทรอนิกส์จริง และมีปัญหาเรื่องต้นทุนที่สูง ดังนั้น การสร้างฟิล์มบางจึงเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญสำหรับลิเธียมไนโอเบตที่ใช้ในตัวควบคุมแสงไฟฟ้า