ตัวปรับอิเล็กโทรออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบบูรณาการที่สูงกว่า

ความเป็นเส้นตรงสูงโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าแก้วนำแสงและการประยุกต์โฟตอนด้วยไมโครเวฟ
ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นของระบบการสื่อสาร เพื่อที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น ผู้คนจะหลอมโฟตอนและอิเล็กตรอนเพื่อให้ได้ข้อได้เปรียบที่เสริมกัน และโฟตอนิกของไมโครเวฟจะถือกำเนิดขึ้น โมดูเลเตอร์แบบอิเล็กโทรออปติคัลจำเป็นสำหรับการแปลงไฟฟ้าเป็นแสงเข้าระบบโฟโตนิกไมโครเวฟและขั้นตอนสำคัญนี้มักจะกำหนดประสิทธิภาพของทั้งระบบ เนื่องจากการแปลงสัญญาณความถี่วิทยุเป็นโดเมนออปติคัลเป็นกระบวนการสัญญาณอะนาล็อกและเป็นเรื่องธรรมดาโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าแสงมีความไม่เชิงเส้นโดยธรรมชาติ มีการบิดเบือนสัญญาณร้ายแรงในกระบวนการแปลง เพื่อให้บรรลุการมอดูเลตเชิงเส้นโดยประมาณ จุดปฏิบัติการของโมดูเลเตอร์มักจะถูกกำหนดไว้ที่จุดอคติมุมฉาก แต่ก็ยังไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดของโฟตอนลิงก์ไมโครเวฟสำหรับความเป็นเชิงเส้นของโมดูเลเตอร์ได้ จำเป็นต้องมีโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกที่มีความเป็นเส้นตรงสูงอย่างเร่งด่วน

การปรับดัชนีการหักเหของแสงความเร็วสูงของวัสดุซิลิกอนมักจะทำได้โดยเอฟเฟกต์การกระจายตัวของพลาสมาพาหะอิสระ (FCD) ทั้งเอฟเฟ็กต์ FCD และการปรับจุดเชื่อมต่อ PN ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งทำให้ซิลิกอนโมดูเลเตอร์เป็นเส้นตรงน้อยกว่าโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบต วัสดุลิเธียมไนโอเบตจัดแสดงได้ดีเยี่ยมการปรับด้วยแสงไฟฟ้าคุณสมบัติเนื่องจากเอฟเฟกต์ Pucker ในเวลาเดียวกัน วัสดุลิเธียมไนโอเบตมีข้อดีของแบนด์วิธขนาดใหญ่ ลักษณะการปรับที่ดี การสูญเสียต่ำ รวมง่าย และเข้ากันได้กับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ การใช้ลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางเพื่อให้โมดูเลเตอร์ไฟฟ้าแสงประสิทธิภาพสูง เมื่อเทียบกับซิลิคอน แทบไม่มี "แผ่นสั้น" แต่ยังเพื่อให้ได้ความเป็นเส้นตรงสูง โมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกลิเธียมไนโอเบต (LNOI) แบบฟิล์มบางบนฉนวนกลายเป็นทิศทางการพัฒนาที่มีแนวโน้ม ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและเทคโนโลยีการแกะสลักท่อนำคลื่น ประสิทธิภาพการแปลงที่สูงและการบูรณาการที่สูงขึ้นของโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้กลายเป็นสาขาวิชาการและอุตสาหกรรมระดับนานาชาติ

ลักษณะของลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบาง
ในสหรัฐอเมริกา การวางแผน DAP AR ได้ทำการประเมินวัสดุลิเธียมไนโอเบตดังต่อไปนี้: หากศูนย์กลางของการปฏิวัติทางอิเล็กทรอนิกส์ตั้งชื่อตามวัสดุซิลิกอนที่ทำให้เป็นไปได้ สถานที่เกิดของการปฏิวัติโฟโตนิกส์ก็มีแนวโน้มที่จะตั้งชื่อตามลิเธียมไนโอเบต . เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตรวมเอาเอฟเฟกต์แสงแบบไฟฟ้า, เอฟเฟกต์อะคูสติก-ออปติคอล, เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก, เอฟเฟกต์เทอร์โมอิเล็กทริก และเอฟเฟกต์การหักเหของแสงเข้าด้วยกัน เช่นเดียวกับวัสดุซิลิกอนในด้านทัศนศาสตร์

ในแง่ของคุณลักษณะการส่งผ่านแสง วัสดุ InP มีการสูญเสียการส่งผ่านบนชิปมากที่สุดเนื่องจากการดูดกลืนแสงในย่านความถี่ 1550 นาโนเมตรที่ใช้กันทั่วไป SiO2 และซิลิคอนไนไตรด์มีลักษณะการส่งผ่านที่ดีที่สุด และการสูญเสียสามารถเข้าถึงระดับ ~ 0.01dB/cm; ในปัจจุบัน การสูญเสียท่อนำคลื่นของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสามารถถึงระดับ 0.03dB/cm2 และการสูญเสียของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีศักยภาพที่จะลดลงอีกด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของระดับเทคโนโลยีใน อนาคต. ดังนั้น วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจะแสดงประสิทธิภาพที่ดีสำหรับโครงสร้างแสงแบบพาสซีฟ เช่น เส้นทางการสังเคราะห์แสง การแบ่งส่วน และไมโครริง

ในแง่ของการสร้างแสง มีเพียง InP เท่านั้นที่สามารถเปล่งแสงได้โดยตรง ดังนั้น สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ จึงจำเป็นต้องแนะนำแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ InP บนชิปรวมโทนิคที่ใช้ LNOI โดยวิธีการเชื่อมแบบแบ็คโหลดหรือการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว ในแง่ของการปรับแสง มีการเน้นไว้ข้างต้นว่าวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นง่ายกว่าเพื่อให้ได้แบนด์วิธการปรับที่ใหญ่กว่า แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นที่ต่ำกว่า และการสูญเสียการส่งผ่านที่ต่ำกว่า InP และ Si ยิ่งไปกว่านั้น ความเป็นเส้นตรงสูงของการปรับด้วยแสงไฟฟ้าของวัสดุลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟทั้งหมด

ในแง่ของการกำหนดเส้นทางด้วยแสง การตอบสนองทางไฟฟ้าและแสงความเร็วสูงของวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางทำให้สวิตช์ออปติคัลที่ใช้ LNOI สามารถสลับการกำหนดเส้นทางด้วยแสงความเร็วสูงได้ และการใช้พลังงานของการสลับความเร็วสูงดังกล่าวก็ต่ำมากเช่นกัน สำหรับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบรวมทั่วไป ชิปบีมฟอร์มมิ่งที่ควบคุมด้วยแสงมีความสามารถในการสลับความเร็วสูงเพื่อตอบสนองความต้องการของการสแกนลำแสงอย่างรวดเร็ว และลักษณะของการใช้พลังงานต่ำเป็นพิเศษได้รับการปรับให้เข้ากับข้อกำหนดที่เข้มงวดของขนาดใหญ่ - ระบบอาเรย์แบบค่อยเป็นค่อยไป แม้ว่าสวิตช์ออปติคอลที่ใช้ InP จะสามารถสลับเส้นทางออปติคัลความเร็วสูงได้ แต่จะทำให้เกิดเสียงรบกวนขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสวิตช์ออปติคัลหลายระดับถูกเรียงซ้อน ค่าสัมประสิทธิ์เสียงจะลดลงอย่างมาก วัสดุซิลิคอน, SiO2 และซิลิคอนไนไตรด์สามารถเปลี่ยนเส้นทางแสงผ่านเอฟเฟกต์เทอร์โมออปติคัลหรือเอฟเฟกต์การกระจายตัวของพาหะเท่านั้น ซึ่งมีข้อเสียคือใช้พลังงานสูงและความเร็วในการเปลี่ยนช้า เมื่อขนาดอาร์เรย์ของ Phased Array มีขนาดใหญ่ จะไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการใช้พลังงานได้

ในแง่ของการขยายแสงแอมพลิฟายเออร์แสงเซมิคอนดักเตอร์ (โซอา) ที่ใช้ InP ได้รับการพัฒนาเพื่อใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว แต่มีข้อเสียคือค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนสูงและกำลังเอาต์พุตความอิ่มตัวต่ำ ซึ่งไม่เอื้อต่อการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ กระบวนการขยายแบบพาราเมตริกของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางตามการเปิดใช้งานและการผกผันเป็นระยะสามารถบรรลุสัญญาณรบกวนต่ำและการขยายแสงบนชิปกำลังสูง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการสำหรับการขยายแสงบนชิป

ในแง่ของการตรวจจับแสง ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีคุณสมบัติการส่งผ่านแสงที่ดีในย่านความถี่ 1550 นาโนเมตร ฟังก์ชั่นการแปลงตาแมวไม่สามารถทำได้ ดังนั้นสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ เพื่อตอบสนองความต้องการของการแปลงตาแมวบนชิป จำเป็นต้องมีหน่วยตรวจจับ InGaAs หรือ Ge-Si บนชิปรวมโฟโตนิกที่ใช้ LNOI โดยการเชื่อมแบ็คโหลดหรือการเติบโตของอีปิแอกเซียล ในแง่ของการเชื่อมต่อกับใยแก้วนำแสง เนื่องจากใยแก้วนำแสงนั้นเป็นวัสดุ SiO2 สนามโหมดของท่อนำคลื่น SiO2 จึงมีระดับการจับคู่สูงสุดกับสนามโหมดของใยแก้วนำแสง และการมีเพศสัมพันธ์นั้นสะดวกที่สุด เส้นผ่านศูนย์กลางฟิลด์โหมดของท่อนำคลื่นที่ถูกจำกัดอย่างเข้มงวดของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางคือประมาณ 1μm ซึ่งค่อนข้างแตกต่างจากฟิลด์โหมดของไฟเบอร์ออปติก ดังนั้นจึงต้องทำการเปลี่ยนแปลงจุดโหมดที่เหมาะสมเพื่อให้ตรงกับฟิลด์โหมดของไฟเบอร์ออปติก

ในแง่ของการบูรณาการ วัสดุต่างๆ มีศักยภาพในการบูรณาการสูงหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับรัศมีการโค้งงอของท่อนำคลื่นเป็นหลัก (ได้รับผลกระทบจากข้อจำกัดของฟิลด์โหมดท่อนำคลื่น) ท่อนำคลื่นที่ถูกจำกัดอย่างเข้มงวดช่วยให้รัศมีการโค้งงอเล็กลง ซึ่งเอื้อให้เกิดการบูรณาการในระดับสูงมากกว่า ดังนั้นท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงมีศักยภาพในการบูรณาการในระดับสูง ดังนั้น การปรากฏตัวของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางทำให้วัสดุลิเธียมไนโอเบตสามารถมีบทบาทเป็น "ซิลิคอน" แบบออปติคัลได้อย่างแท้จริง สำหรับการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจะชัดเจนยิ่งขึ้น