โมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางบูรณาการระดับสูง

ความเป็นเส้นตรงสูงเครื่องปรับคลื่นแสงไฟฟ้าและการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ
ด้วยความต้องการระบบการสื่อสารที่เพิ่มมากขึ้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น ผู้คนจะรวมโฟตอนและอิเล็กตรอนเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ประโยชน์ที่เสริมซึ่งกันและกัน และโฟโตนิกส์ไมโครเวฟก็จะถือกำเนิดขึ้น จำเป็นต้องมีโมดูเลเตอร์ไฟฟ้า-ออปติกเพื่อแปลงไฟฟ้าเป็นแสงระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟและขั้นตอนสำคัญนี้มักจะกำหนดประสิทธิภาพของระบบทั้งหมด เนื่องจากการแปลงสัญญาณความถี่วิทยุเป็นโดเมนออปติคัลเป็นกระบวนการสัญญาณแอนะล็อกและปกติเครื่องควบคุมแสงไฟฟ้ามีลักษณะไม่เชิงเส้นโดยธรรมชาติ จึงมีการบิดเบือนสัญญาณอย่างร้ายแรงในกระบวนการแปลง เพื่อให้ได้การมอดูเลตเชิงเส้นโดยประมาณ จุดปฏิบัติการของมอดูเลเตอร์มักจะถูกกำหนดไว้ที่จุดไบอัสมุมฉาก แต่ก็ยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการของลิงก์โฟตอนไมโครเวฟสำหรับความเป็นเชิงเส้นของมอดูเลเตอร์ได้ จำเป็นต้องมีมอดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกที่มีความเป็นเชิงเส้นสูงอย่างเร่งด่วน

การปรับดัชนีหักเหแสงความเร็วสูงของวัสดุซิลิกอนมักจะทำได้โดยเอฟเฟกต์การกระจายพลาสมาพาหะอิสระ (FCD) ทั้งเอฟเฟกต์ FCD และการปรับจุดเชื่อมต่อ PN ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งทำให้ตัวปรับซิลิกอนเป็นเชิงเส้นน้อยกว่าตัวปรับลิเธียมไนโอเบต วัสดุลิเธียมไนโอเบตแสดงให้เห็นถึงความยอดเยี่ยมการมอดูเลชั่นด้วยแสงไฟฟ้าคุณสมบัติเนื่องจากเอฟเฟกต์ Pucker ในเวลาเดียวกันวัสดุลิเธียมไนโอเบตมีข้อได้เปรียบของแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ ลักษณะการปรับที่ดี การสูญเสียต่ำ การผสานรวมที่ง่ายและเข้ากันได้กับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ การใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางเพื่อสร้างโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิกอนแทบจะไม่มี "แผ่นสั้น" แต่ยังให้ความเป็นเส้นตรงสูงอีกด้วย โมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าแบบฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต (LNOI) บนฉนวนได้กลายเป็นแนวทางการพัฒนาที่มีแนวโน้มดี ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและเทคโนโลยีการแกะสลักท่อนำคลื่น ประสิทธิภาพการแปลงที่สูงและการผสานรวมที่สูงขึ้นของโมดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าแบบฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้กลายเป็นสาขาของการศึกษาและอุตสาหกรรมระดับนานาชาติ

ลักษณะของฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต
ในสหรัฐอเมริกา การวางแผน AR ของ DAP ได้ทำการประเมินวัสดุลิเธียมไนโอเบตดังต่อไปนี้: หากศูนย์กลางของการปฏิวัติอิเล็กทรอนิกส์ได้รับการตั้งชื่อตามวัสดุซิลิกอนที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ แหล่งกำเนิดของการปฏิวัติโฟโตนิกส์ก็มีแนวโน้มที่จะได้รับการตั้งชื่อตามลิเธียมไนโอเบต เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตผสานเอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติก เอฟเฟกต์อะคูสติกออปติก เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก เอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริก และเอฟเฟกต์การหักเหแสงเข้าไว้ด้วยกัน เช่นเดียวกับวัสดุซิลิกอนในด้านออปติก

ในแง่ของลักษณะการส่งผ่านแสง วัสดุ InP มีการสูญเสียการส่งผ่านบนชิปสูงสุดเนื่องจากการดูดซับแสงในแบนด์ 1550nm ที่ใช้กันทั่วไป SiO2 และซิลิกอนไนไตรด์มีลักษณะการส่งผ่านที่ดีที่สุด และการสูญเสียสามารถเข้าถึงระดับ ~ 0.01dB/cm ในปัจจุบัน การสูญเสียของท่อนำคลื่นของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสามารถเข้าถึงระดับ 0.03dB/cm และการสูญเสียของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีศักยภาพที่จะลดลงต่อไปด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของระดับเทคโนโลยีในอนาคต ดังนั้น วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจะแสดงประสิทธิภาพที่ดีในโครงสร้างแสงแบบพาสซีฟ เช่น เส้นทางการสังเคราะห์แสง ชันท์ และไมโครริง

ในแง่ของการสร้างแสง มีเพียง InP เท่านั้นที่มีความสามารถในการปล่อยแสงโดยตรง ดังนั้น สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ จึงจำเป็นต้องนำแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ InP มาใช้บนชิปรวมโฟตอนิกที่ใช้ LNOI โดยวิธีการเชื่อมแบบแบ็คโหลดหรือการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียล ในแง่ของการปรับแสง ได้มีการเน้นย้ำไว้ข้างต้นแล้วว่าวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นทำได้ง่ายกว่าในการทำให้แบนด์วิดท์การปรับที่ใหญ่กว่า แรงดันครึ่งคลื่นต่ำกว่า และการสูญเสียการส่งผ่านต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ InP และ Si ยิ่งไปกว่านั้น ความเป็นเส้นตรงสูงของการปรับแสงไฟฟ้าของวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นมีความจำเป็นสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟทั้งหมด

ในแง่ของการกำหนดเส้นทางแสง การตอบสนองทางไฟฟ้าออปติกความเร็วสูงของวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางทำให้สวิตช์ออปติกที่ใช้ LNOI สามารถสลับการกำหนดเส้นทางแสงด้วยความเร็วสูงได้ และการใช้พลังงานของการสลับความเร็วสูงดังกล่าวยังต่ำมากอีกด้วย สำหรับการใช้งานทั่วไปของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการ ชิปการสร้างลำแสงที่ควบคุมด้วยแสงมีความสามารถในการสลับความเร็วสูงเพื่อตอบสนองความต้องการการสแกนลำแสงอย่างรวดเร็ว และลักษณะของการใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษนั้นปรับให้เข้ากับข้อกำหนดที่เข้มงวดของระบบอาร์เรย์เฟสขนาดใหญ่ได้เป็นอย่างดี แม้ว่าสวิตช์ออปติกที่ใช้ InP ยังสามารถทำการสลับเส้นทางแสงความเร็วสูงได้ แต่ก็จะสร้างสัญญาณรบกวนขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสวิตช์ออปติกหลายระดับเรียงซ้อนกัน ค่าสัมประสิทธิ์ของสัญญาณรบกวนจะลดลงอย่างมาก วัสดุซิลิกอน SiO2 และซิลิกอนไนไตรด์สามารถสลับเส้นทางแสงได้ผ่านเอฟเฟกต์เทอร์โมออปติกหรือเอฟเฟกต์การกระจายตัวของตัวพาเท่านั้น ซึ่งมีข้อเสียคือการใช้พลังงานสูงและความเร็วในการสลับที่ช้า เมื่อขนาดอาร์เรย์ของอาร์เรย์เฟสมีขนาดใหญ่ ไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดการใช้พลังงานได้

ในแง่ของการขยายสัญญาณแบบออปติคอลเครื่องขยายสัญญาณออปติคอลเซมิคอนดักเตอร์ (เอสโอเอ) ที่ใช้ InP นั้นได้รับการพัฒนาให้พร้อมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว แต่มีข้อเสียคือมีค่าสัมประสิทธิ์ของสัญญาณรบกวนสูงและกำลังส่งออกความอิ่มตัวต่ำ ซึ่งไม่เอื้อต่อการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ กระบวนการขยายพารามิเตอร์ของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางที่ใช้การเปิดใช้งานและการกลับทิศเป็นระยะนั้นสามารถบรรลุการขยายสัญญาณออปติกบนชิปที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและกำลังสูง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการสำหรับการขยายสัญญาณออปติกบนชิปได้เป็นอย่างดี

ในแง่ของการตรวจจับแสง ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีคุณสมบัติการส่งผ่านแสงที่ดีในแถบ 1550 นาโนเมตร ไม่สามารถทำฟังก์ชันการแปลงโฟโตอิเล็กทริกได้ ดังนั้น สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ เพื่อตอบสนองความต้องการของการแปลงโฟโตอิเล็กทริกบนชิป จำเป็นต้องนำหน่วยตรวจจับ InGaAs หรือ Ge-Si เข้ามาใช้กับชิปรวมโฟโตนิกที่ใช้ LNOI โดยการโหลดกลับการเชื่อมหรือการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียล ในแง่ของการจับคู่กับใยแก้วนำแสง เนื่องจากใยแก้วนำแสงเองเป็นวัสดุ SiO2 ฟิลด์โหมดของท่อนำคลื่น SiO2 จึงมีระดับการจับคู่สูงสุดกับฟิลด์โหมดของใยแก้วนำแสง และการจับคู่จะสะดวกที่สุด เส้นผ่านศูนย์กลางฟิลด์โหมดของท่อนำคลื่นที่จำกัดอย่างเข้มงวดของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางอยู่ที่ประมาณ 1μm ซึ่งค่อนข้างแตกต่างจากฟิลด์โหมดของใยแก้วนำแสง ดังนั้น จะต้องดำเนินการแปลงจุดโหมดที่เหมาะสมเพื่อให้ตรงกับฟิลด์โหมดของใยแก้วนำแสง

ในแง่ของการผสานรวม วัสดุต่างๆ จะมีศักยภาพในการผสานรวมสูงหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับรัศมีการโค้งงอของท่อนำคลื่นเป็นหลัก (ซึ่งได้รับผลกระทบจากข้อจำกัดของสนามโหมดท่อนำคลื่น) ท่อนำคลื่นที่มีการจำกัดอย่างเข้มงวดจะทำให้มีรัศมีการโค้งงอที่เล็กลง ซึ่งเอื้อต่อการสร้างการผสานรวมสูง ดังนั้น ท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงมีศักยภาพในการสร้างการผสานรวมสูง ดังนั้น การปรากฏตัวของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางทำให้วัสดุลิเธียมไนโอเบตสามารถทำหน้าที่เป็น "ซิลิกอน" ออปติคัลได้อย่างแท้จริง สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นชัดเจนกว่า