ตัวปรับแสงไฟฟ้าลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางแบบบูรณาการสูง

ความเป็นเส้นตรงสูงตัวปรับแสงไฟฟ้าและการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ
ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นของระบบสื่อสาร เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น ผู้คนจะหลอมรวมโฟตอนและอิเล็กตรอนเพื่อให้ได้ประโยชน์ที่เสริมกัน และโฟโตนิกส์ไมโครเวฟจะถือกำเนิดขึ้น จำเป็นต้องมีตัวปรับสัญญาณไฟฟ้า-แสงเพื่อแปลงไฟฟ้าเป็นแสงระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟและขั้นตอนสำคัญนี้มักจะกำหนดประสิทธิภาพของระบบทั้งหมด เนื่องจากการแปลงสัญญาณความถี่วิทยุเป็นโดเมนออปติคัลเป็นกระบวนการสัญญาณแอนะล็อก และโดยทั่วไปตัวปรับแสงไฟฟ้าเนื่องจากมีความไม่เป็นเชิงเส้นโดยธรรมชาติ จึงทำให้เกิดความเพี้ยนของสัญญาณอย่างรุนแรงในกระบวนการแปลงสัญญาณ เพื่อให้ได้การมอดูเลตเชิงเส้นโดยประมาณ จุดทำงานของมอดูเลเตอร์มักจะถูกกำหนดไว้ที่จุดไบแอสมุมฉาก แต่ก็ยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการของลิงก์โฟตอนไมโครเวฟสำหรับความเป็นเชิงเส้นของมอดูเลเตอร์ได้ จึงจำเป็นต้องมีมอดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกที่มีความเป็นเชิงเส้นสูงอย่างเร่งด่วน

การปรับดัชนีหักเหแสงความเร็วสูงของวัสดุซิลิกอนมักเกิดขึ้นจากปรากฏการณ์การกระจายตัวของพลาสมาพาหะอิสระ (FCD) ทั้งปรากฏการณ์ FCD และการปรับจุดเชื่อมต่อ PN ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งทำให้ตัวปรับซิลิคอนมีความเป็นเชิงเส้นน้อยกว่าตัวปรับลิเธียมไนโอเบต วัสดุลิเธียมไนโอเบตมีสมรรถนะที่ยอดเยี่ยมการมอดูเลตด้วยแสงไฟฟ้ามีคุณสมบัติโดดเด่นเนื่องจากคุณสมบัติการย่น (Pucker effect) ในขณะเดียวกัน วัสดุลิเธียมไนโอเบตยังมีข้อได้เปรียบในด้านแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ คุณสมบัติการมอดูเลตที่ดี การสูญเสียต่ำ การผสานรวมที่ง่ายดาย และความเข้ากันได้ดีกับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ การใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางเพื่อผลิตมอดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง เมื่อเทียบกับซิลิคอนแล้วแทบไม่มี "แผ่นสั้น" เลย แต่ยังให้ความเป็นเชิงเส้นสูงอีกด้วย มอดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าแบบฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต (LNOI) บนฉนวนไฟฟ้าได้กลายเป็นทิศทางการพัฒนาที่มีอนาคตสดใส ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและเทคโนโลยีการกัดท่อนำคลื่น ประสิทธิภาพการแปลงที่สูงและการผสานรวมที่สูงขึ้นของมอดูเลเตอร์ออปติกไฟฟ้าแบบฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้กลายเป็นสาขาหนึ่งของวงการวิชาการและอุตสาหกรรมระดับนานาชาติ

ลักษณะของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง
ในสหรัฐอเมริกา แผนงาน DAP AR ได้ทำการประเมินวัสดุลิเธียมไนโอเบตดังต่อไปนี้: หากศูนย์กลางของการปฏิวัติอิเล็กทรอนิกส์ตั้งชื่อตามวัสดุซิลิกอนที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ แหล่งกำเนิดของการปฏิวัติโฟโตนิกส์ก็น่าจะตั้งชื่อตามลิเธียมไนโอเบต เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตได้รวมเอาปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเชิงแสง ปรากฏการณ์ทางเสียงเชิงแสง ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริก และปรากฏการณ์การหักเหแสงเข้าไว้ด้วยกัน เช่นเดียวกับวัสดุซิลิกอนในสาขาออปติก

ในด้านคุณสมบัติการส่งผ่านแสง วัสดุ InP มีการสูญเสียการส่งผ่านบนชิปสูงสุดเนื่องจากการดูดซับแสงในย่านความถี่ 1550 นาโนเมตร ซึ่งใช้กันทั่วไป SiO2 และซิลิคอนไนไตรด์มีคุณสมบัติการส่งผ่านที่ดีที่สุด โดยการสูญเสียสามารถสูงถึง ~ 0.01 เดซิเบล/เซนติเมตร ปัจจุบันการสูญเสียของท่อนำคลื่นของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสามารถสูงถึง 0.03 เดซิเบล/เซนติเมตร และการสูญเสียของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีศักยภาพที่จะลดน้อยลงได้อีกด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องในอนาคต ดังนั้น วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงมีประสิทธิภาพที่ดีสำหรับการใช้งานในโครงสร้างแสงแบบพาสซีฟ เช่น เส้นทางการสังเคราะห์แสง ชันท์ และไมโครริง

ในด้านการสร้างแสง มีเพียง InP เท่านั้นที่สามารถเปล่งแสงได้โดยตรง ดังนั้น สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ จึงจำเป็นต้องติดตั้งแหล่งกำเนิดแสงแบบ InP บนชิปโฟตอนแบบรวมโฟตอนิกส์ที่ใช้ LNOI โดยการเชื่อมแบบแบ็คโหลดหรือการเติบโตแบบเอพิแทกเซียล ในด้านการปรับแสง ได้เน้นย้ำไว้ข้างต้นว่าวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นสามารถบรรลุแบนด์วิดท์การปรับแสงที่กว้างกว่า แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นต่ำกว่า และการสูญเสียการส่งผ่านต่ำกว่า InP และ Si ยิ่งไปกว่านั้น ความเป็นเชิงเส้นสูงของการมอดูเลตแบบอิเล็กโทรออปติกของวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟทุกประเภท

ในด้านการกำหนดเส้นทางแสง การตอบสนองทางไฟฟ้า-แสงความเร็วสูงของวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางทำให้สวิตช์ออปติคัลที่ใช้ LNOI สามารถสลับเส้นทางแสงความเร็วสูงได้ และการใช้พลังงานของการสลับความเร็วสูงนี้ก็ต่ำมากเช่นกัน สำหรับการใช้งานทั่วไปของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการ ชิปสร้างลำแสงที่ควบคุมด้วยแสงมีความสามารถในการสลับความเร็วสูงเพื่อตอบสนองความต้องการการสแกนลำแสงที่รวดเร็ว และคุณสมบัติของการใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษนั้นปรับให้เข้ากับข้อกำหนดที่เข้มงวดของระบบอาร์เรย์เฟสขนาดใหญ่ได้เป็นอย่างดี แม้ว่าสวิตช์ออปติคัลที่ใช้ InP จะสามารถสลับเส้นทางแสงความเร็วสูงได้เช่นกัน แต่ก็อาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสวิตช์ออปติคัลแบบหลายระดับถูกต่อเรียงกัน ซึ่งค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนจะลดลงอย่างมาก วัสดุซิลิคอน ซิลิกอนไดออกไซด์ และซิลิคอนไนไตรด์ สามารถสลับเส้นทางแสงได้ผ่านปรากฏการณ์เทอร์โมออปติคัลหรือปรากฏการณ์การกระจายตัวของพาหะเท่านั้น ซึ่งมีข้อเสียคือการใช้พลังงานสูงและความเร็วในการสลับที่ช้า เมื่ออาร์เรย์เฟสมีขนาดใหญ่ จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการใช้พลังงานได้

ในแง่ของการขยายสัญญาณด้วยแสงเครื่องขยายสัญญาณออปติคัลเซมิคอนดักเตอร์ (เอสโอเอ) ที่ใช้ InP ได้รับการพัฒนาให้พร้อมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว แต่มีข้อเสียคือมีค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนสูงและกำลังส่งออกอิ่มตัวต่ำ ซึ่งไม่เอื้อต่อการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ กระบวนการขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางที่ใช้การกระตุ้นและการกลับทิศเป็นระยะ สามารถบรรลุการขยายสัญญาณออปติคัลบนชิปที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและกำลังขยายสูง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการสำหรับการขยายสัญญาณออปติคัลบนชิปได้เป็นอย่างดี

ในด้านการตรวจจับแสง ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีคุณสมบัติการส่งผ่านแสงที่ดีในย่านความถี่ 1550 นาโนเมตร ฟังก์ชันการแปลงโฟโตอิเล็กทริกไม่สามารถทำได้ ดังนั้นสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟจึงจำเป็นต้องตอบสนองความต้องการการแปลงโฟโตอิเล็กทริกบนชิป จำเป็นต้องมีการติดตั้งหน่วยตรวจจับ InGaAs หรือ Ge-Si บนชิปโฟโตนิกส์แบบรวมที่ใช้ LNOI โดยการเชื่อมแบบแบ็คโหลดหรือการเติบโตแบบเอพิแทกเซียล ในแง่ของการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง เนื่องจากใยแก้วนำแสงทำจากวัสดุ SiO2 สนามโหมดของท่อนำคลื่น SiO2 จึงมีระดับการจับคู่สูงสุดกับสนามโหมดของใยแก้วนำแสง และการเชื่อมต่อนี้สะดวกที่สุด เส้นผ่านศูนย์กลางสนามโหมดของท่อนำคลื่นแบบจำกัดอย่างเข้มงวดของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางอยู่ที่ประมาณ 1 ไมโครเมตร ซึ่งแตกต่างจากสนามโหมดของใยแก้วนำแสงอย่างมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำการแปลงจุดโหมดที่เหมาะสมเพื่อให้ตรงกับสนามโหมดของใยแก้วนำแสง

ในแง่ของการผสานรวม วัสดุต่างๆ จะมีศักยภาพในการผสานรวมสูงหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับรัศมีการโค้งงอของท่อนำคลื่นเป็นหลัก (ซึ่งได้รับผลกระทบจากข้อจำกัดของสนามโหมดท่อนำคลื่น) ท่อนำคลื่นที่ถูกจำกัดอย่างเข้มงวดทำให้มีรัศมีการโค้งงอที่เล็กลง ซึ่งเอื้อต่อการสร้างการผสานรวมสูง ดังนั้น ท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงมีศักยภาพในการผสานรวมสูง ดังนั้น ลักษณะของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงทำให้วัสดุลิเธียมไนโอเบตสามารถทำหน้าที่เป็น "ซิลิคอน" ทางแสงได้อย่างแท้จริง สำหรับการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นชัดเจนกว่า