ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางที่มีการรวมระบบสูงขึ้น

ความเป็นเส้นตรงสูงตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกและการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ
ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นของระบบสื่อสาร เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น มนุษย์จึงได้หลอมรวมโฟตอนและอิเล็กตรอนเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ข้อดีที่เสริมกัน และกำเนิดเป็นไมโครเวฟโฟโตนิกส์ โดยจำเป็นต้องใช้ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงเพื่อแปลงไฟฟ้าเป็นแสงระบบโฟโตนิกไมโครเวฟและขั้นตอนสำคัญนี้มักจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของระบบทั้งหมด เนื่องจากการแปลงสัญญาณความถี่วิทยุเป็นสัญญาณแสงเป็นกระบวนการสัญญาณอนาล็อก และโดยทั่วไปแล้วตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงเนื่องจากมีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้นโดยธรรมชาติ จึงทำให้เกิดการบิดเบือนสัญญาณอย่างรุนแรงในกระบวนการแปลง เพื่อให้ได้การมอดูเลชั่นเชิงเส้นโดยประมาณ จุดการทำงานของตัวมอดูเลเตอร์มักจะถูกกำหนดไว้ที่จุดไบแอสตั้งฉาก แต่ก็ยังไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านความเป็นเชิงเส้นของตัวมอดูเลเตอร์ในระบบไมโครเวฟโฟตอนได้ จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีตัวมอดูเลเตอร์แบบอิเล็กโทรออปติกที่มีความเป็นเชิงเส้นสูง

การปรับดัชนีหักเหของวัสดุซิลิคอนด้วยความเร็วสูงมักทำได้โดยอาศัยปรากฏการณ์การกระจายตัวของพลาสมาของตัวพาอิสระ (FCD) ทั้งปรากฏการณ์ FCD และการปรับดัชนีหักเหด้วยรอยต่อ PN นั้นเป็นแบบไม่เชิงเส้น ทำให้ตัวปรับดัชนีหักเหที่ทำจากซิลิคอนมีความเป็นเชิงเส้นน้อยกว่าตัวปรับดัชนีหักเหที่ทำจากลิเธียมไนโอเบต อย่างไรก็ตาม วัสดุลิเธียมไนโอเบตแสดงคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมการปรับเปลี่ยนทางอิเล็กโทรออปติกคุณสมบัติเหล่านี้เกิดจากปรากฏการณ์ Pucker effect ในขณะเดียวกัน วัสดุลิเธียมไนโอเบตมีข้อดีคือแบนด์วิดท์กว้าง คุณลักษณะการมอดูเลชั่นที่ดี การสูญเสียต่ำ การรวมเข้ากับระบบได้ง่าย และเข้ากันได้กับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การใช้ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตในการสร้างตัวมอดูเลเตอร์ทางแสงไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง เมื่อเทียบกับซิลิคอนแทบไม่มี “จุดลัดวงจร” และยังให้ความเป็นเส้นตรงสูงอีกด้วย ตัวมอดูเลเตอร์ทางแสงไฟฟ้าฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต (LNOI) บนฉนวนจึงกลายเป็นทิศทางการพัฒนาที่น่าสนใจ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมวัสดุฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตและเทคโนโลยีการกัดเซาะท่อนำคลื่น ประสิทธิภาพการแปลงสูงและการรวมเข้ากับระบบที่สูงขึ้นของตัวมอดูเลเตอร์ทางแสงไฟฟ้าฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตจึงกลายเป็นประเด็นสำคัญในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรมระดับนานาชาติ

คุณลักษณะของลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบาง
ในสหรัฐอเมริกา หน่วยงานวางแผน DAP AR ได้ทำการประเมินวัสดุลิเธียมไนโอเบตไว้ดังนี้: หากศูนย์กลางของการปฏิวัติทางอิเล็กทรอนิกส์ตั้งชื่อตามวัสดุซิลิคอนที่ทำให้มันเป็นไปได้แล้ว สถานที่กำเนิดของการปฏิวัติทางโฟโตนิกส์ก็มีแนวโน้มที่จะตั้งชื่อตามลิเธียมไนโอเบตเช่นกัน เนื่องจากลิเธียมไนโอเบตได้รวมเอาปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเชิงแสง ปรากฏการณ์ทางเสียงเชิงแสง ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเชิงเพียโซ ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเชิงความร้อน และปรากฏการณ์ทางแสงเชิงหักเหเข้าไว้ด้วยกัน เหมือนกับวัสดุซิลิคอนในด้านทัศนศาสตร์

ในแง่ของคุณลักษณะการส่งผ่านแสง วัสดุ InP มีการสูญเสียการส่งผ่านบนชิปมากที่สุดเนื่องจากการดูดซับแสงในช่วงคลื่น 1550 นาโนเมตรที่ใช้กันทั่วไป SiO2 และซิลิคอนไนไตรด์มีคุณลักษณะการส่งผ่านที่ดีที่สุด โดยการสูญเสียสามารถลดลงได้ถึงระดับประมาณ 0.01 dB/cm ปัจจุบัน การสูญเสียของท่อนำแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางสามารถลดลงได้ถึงระดับ 0.03 dB/cm และการสูญเสียของท่อนำแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีศักยภาพที่จะลดลงได้อีกในอนาคตด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงมีประสิทธิภาพที่ดีสำหรับโครงสร้างแสงแบบพาสซีฟ เช่น เส้นทางสังเคราะห์แสง วงจรลัด และไมโครริง

ในแง่ของการสร้างแสง มีเพียง InP เท่านั้นที่มีความสามารถในการเปล่งแสงโดยตรง ดังนั้น สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ จึงจำเป็นต้องนำแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ InP มาใช้กับชิปรวมโฟตอนิกส์ที่ใช้ LNOI โดยวิธีการเชื่อมแบบ backloading หรือการเติบโตแบบเอพิเท็กเซียล ในแง่ของการปรับแสง ดังที่ได้เน้นย้ำไว้ข้างต้นแล้วว่า วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นง่ายต่อการบรรลุแบนด์วิดท์การปรับแสงที่กว้างกว่า แรงดันครึ่งคลื่นที่ต่ำกว่า และการสูญเสียการส่งผ่านที่ต่ำกว่า InP และ Si ยิ่งไปกว่านั้น ความเป็นเส้นตรงสูงของการปรับแสงด้วยไฟฟ้าของวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟทั้งหมด

ในแง่ของการกำหนดเส้นทางแสง การตอบสนองทางไฟฟ้าเชิงแสงความเร็วสูงของวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางทำให้สวิตช์แสงที่ใช้ LNOI สามารถสลับเส้นทางแสงด้วยความเร็วสูง และการใช้พลังงานในการสลับความเร็วสูงดังกล่าวก็ต่ำมากเช่นกัน สำหรับการใช้งานทั่วไปของเทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอนแบบบูรณาการ ชิปสร้างลำแสงที่ควบคุมด้วยแสงมีความสามารถในการสลับความเร็วสูงเพื่อตอบสนองความต้องการของการสแกนลำแสงอย่างรวดเร็ว และคุณลักษณะของการใช้พลังงานต่ำมากนั้นเหมาะสมอย่างยิ่งกับข้อกำหนดที่เข้มงวดของระบบอาร์เรย์เฟสขนาดใหญ่ แม้ว่าสวิตช์แสงที่ใช้ InP จะสามารถสลับเส้นทางแสงความเร็วสูงได้เช่นกัน แต่จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการต่อสวิตช์แสงหลายระดับแบบอนุกรม ค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนจะแย่ลงอย่างมาก วัสดุซิลิคอน SiO2 และซิลิคอนไนไตรด์สามารถสลับเส้นทางแสงได้ผ่านผลกระทบทางความร้อนเชิงแสงหรือผลกระทบการกระจายตัวของตัวพาเท่านั้น ซึ่งมีข้อเสียคือการใช้พลังงานสูงและความเร็วในการสลับช้า เมื่อขนาดของอาร์เรย์ของอาร์เรย์เฟสมีขนาดใหญ่ มันจะไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านการใช้พลังงานได้

ในแง่ของการขยายสัญญาณแสงนั้นเครื่องขยายสัญญาณแสงเซมิคอนดักเตอร์ (โซอาเทคโนโลยีการขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกที่ใช้ InP เป็นพื้นฐานนั้นมีความพร้อมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว แต่มีข้อเสียคือค่าสัมประสิทธิ์สัญญาณรบกวนสูงและกำลังเอาต์พุตอิ่มตัวต่ำ ซึ่งไม่เอื้อต่อการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ กระบวนการขยายสัญญาณแบบพาราเมตริกของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางโดยอาศัยการกระตุ้นและการกลับเฟสเป็นระยะ สามารถให้ผลลัพธ์การขยายสัญญาณแสงบนชิปที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและกำลังสูง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการสำหรับการขยายสัญญาณแสงบนชิปได้เป็นอย่างดี

ในแง่ของการตรวจจับแสง ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตมีคุณสมบัติการส่งผ่านแสงที่ดีในช่วงคลื่น 1550 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าไม่สามารถทำได้ ดังนั้นสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ เพื่อให้ได้คุณสมบัติการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าบนชิป จึงจำเป็นต้องมีการนำหน่วยตรวจจับ InGaAs หรือ Ge-Si มาใช้ในชิปรวมโฟตอนิกส์ที่ใช้ LNOI โดยวิธีการเชื่อมแบบ backloading หรือการเติบโตแบบ epitaxial ในแง่ของการเชื่อมต่อกับใยแก้วนำแสง เนื่องจากใยแก้วนำแสงเองเป็นวัสดุ SiO2 ดังนั้นสนามโหมดของท่อนำคลื่น SiO2 จึงมีความเข้ากันได้สูงสุดกับสนามโหมดของใยแก้วนำแสง และการเชื่อมต่อจึงสะดวกที่สุด เส้นผ่านศูนย์กลางสนามโหมดของท่อนำคลื่นแบบจำกัดอย่างมากของฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตอยู่ที่ประมาณ 1 ไมโครเมตร ซึ่งแตกต่างจากสนามโหมดของใยแก้วนำแสงมาก ดังนั้นจึงต้องมีการแปลงจุดโหมดที่เหมาะสมเพื่อให้ตรงกับสนามโหมดของใยแก้วนำแสง

ในแง่ของการรวมวงจรนั้น ศักยภาพในการรวมวงจรสูงของวัสดุต่างๆ ขึ้นอยู่กับรัศมีโค้งของท่อนำคลื่นเป็นหลัก (ซึ่งได้รับผลกระทบจากข้อจำกัดของสนามโหมดท่อนำคลื่น) ท่อนำคลื่นที่มีข้อจำกัดสูงจะช่วยให้รัศมีโค้งเล็กลง ซึ่งเอื้อต่อการรวมวงจรสูงได้มากขึ้น ดังนั้น ท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงมีศักยภาพในการรวมวงจรสูง ด้วยเหตุนี้ การปรากฏตัวของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงทำให้วัสดุลิเธียมไนโอเบตสามารถทำหน้าที่เป็น "ซิลิคอน" ทางแสงได้อย่างแท้จริง สำหรับการใช้งานด้านโฟตอนไมโครเวฟ ข้อดีของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจึงชัดเจนยิ่งขึ้น