บทนำเกี่ยวกับโครงสร้างและประสิทธิภาพของตัวปรับสัญญาณแสงอิเล็กโทรออปติกแบบฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต

บทนำเกี่ยวกับโครงสร้างและประสิทธิภาพของตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกแบบฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต
An ตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกโดยพิจารณาจากโครงสร้าง ความยาวคลื่น และแพลตฟอร์มที่แตกต่างกันของลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบาง และการเปรียบเทียบประสิทธิภาพอย่างครอบคลุมของลิเธียมไนโอเบตประเภทต่างๆตัวปรับ EOMรวมถึงการวิเคราะห์งานวิจัยและการประยุกต์ใช้ด้วยตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในสาขาอื่นๆ

1. ตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางที่ไม่เกิดโพรงเรโซแนนซ์
ตัวปรับสัญญาณชนิดนี้อาศัยคุณสมบัติทางไฟฟ้าเชิงแสงที่ยอดเยี่ยมของผลึกลิเธียมไนโอเบต และเป็นอุปกรณ์สำคัญสำหรับการสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูงและระยะไกล โดยมีโครงสร้างหลักสามแบบ:
1.1 ตัวปรับสัญญาณ MZI แบบอิเล็กโทรดคลื่นเดินทาง: นี่คือการออกแบบที่พบได้ทั่วไปมากที่สุด กลุ่มวิจัยของ Lončar ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดประสบความสำเร็จในการสร้างเวอร์ชันที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นครั้งแรกในปี 2018 โดยมีการปรับปรุงเพิ่มเติมในภายหลัง รวมถึงการโหลดแบบคาปาซิทีฟโดยใช้พื้นผิวควอตซ์ (แบนด์วิดท์สูง แต่ไม่สามารถใช้งานร่วมกับพื้นผิวซิลิคอนได้) และแบบที่ใช้งานร่วมกับพื้นผิวซิลิคอนได้โดยใช้การเจาะพื้นผิว ทำให้ได้แบนด์วิดท์สูง (>67 GHz) และการส่งสัญญาณความเร็วสูง (เช่น PAM4 112 Gbit/s)
1.2 ตัวปรับสัญญาณ MZI แบบพับได้: เพื่อลดขนาดของอุปกรณ์และให้เหมาะสมกับโมดูลขนาดกะทัดรัด เช่น QSFP-DD จึงมีการใช้การปรับโพลาไรเซชัน ท่อนำคลื่นแบบไขว้ หรืออิเล็กโทรดโครงสร้างจุลภาคแบบกลับด้าน เพื่อลดความยาวของอุปกรณ์ลงครึ่งหนึ่งและให้ได้แบนด์วิดท์ 60 GHz
1.3 ตัวปรับสัญญาณแบบโคherent Orthogonal (IQ) โพลาไรเซชันเดี่ยว/คู่: ใช้รูปแบบการปรับสัญญาณลำดับสูงเพื่อเพิ่มอัตราการส่งข้อมูล กลุ่มวิจัย Cai ที่มหาวิทยาลัยซุนยัตเซนประสบความสำเร็จในการสร้างตัวปรับสัญญาณ IQ โพลาไรเซชันเดี่ยวบนชิปเป็นครั้งแรกในปี 2020 ตัวปรับสัญญาณ IQ โพลาไรเซชันคู่ที่พัฒนาขึ้นในภายหลังมีประสิทธิภาพที่ดีกว่า และรุ่นที่ใช้พื้นผิวควอตซ์ได้สร้างสถิติอัตราการส่งข้อมูลความยาวคลื่นเดียวที่ 1.96 Tbit/s

2. ตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางชนิดโพรงเรโซแนนซ์
เพื่อให้ได้ตัวปรับสัญญาณที่มีแบนด์วิดท์แคบมากและกว้างมาก มีโครงสร้างโพรงเรโซแนนซ์หลากหลายรูปแบบให้เลือกใช้:
2.1 ผลึกโฟตอนิก (PC) และตัวปรับสัญญาณแบบวงแหวนขนาดเล็ก: กลุ่มวิจัยของ Lin ที่มหาวิทยาลัย Rochester ได้พัฒนาตัวปรับสัญญาณผลึกโฟตอนิกประสิทธิภาพสูงตัวแรก นอกจากนี้ ยังมีการเสนอตัวปรับสัญญาณแบบวงแหวนขนาดเล็กที่ใช้การรวมแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันและการรวมแบบเป็นเนื้อเดียวกันของซิลิคอนลิเธียมไนโอเบต ซึ่งสามารถสร้างแบนด์วิดท์ได้หลายกิกะเจิง
2.2 ตัวปรับสัญญาณแบบโพรงเรโซแนนซ์แบร็กเกรตติ้ง: รวมถึงโพรงฟาบรี-เพโรต์ (FP), แบร็กเกรตติ้งแบบท่อนำคลื่น (WBG) และตัวปรับสัญญาณแสงช้า (SL) โครงสร้างเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างสมดุลระหว่างขนาด ความคลาดเคลื่อนของกระบวนการ และประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น ตัวปรับสัญญาณแบบโพรงเรโซแนนซ์ FP ขนาด 2 × 2 สามารถให้แบนด์วิดท์ที่กว้างมากถึง 110 GHz ตัวปรับสัญญาณแสงช้าที่ใช้แบร็กเกรตติ้งแบบคู่ช่วยขยายช่วงแบนด์วิดท์การทำงานให้กว้างขึ้น

3. ตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางที่รวมเข้าด้วยกันแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน
มีวิธีการบูรณาการหลักสามวิธีในการรวมความเข้ากันได้ของเทคโนโลยี CMOS บนแพลตฟอร์มที่ใช้ซิลิคอนเข้ากับประสิทธิภาพการปรับสัญญาณที่ยอดเยี่ยมของลิเธียมไนโอเบต:
3.1 การรวมแบบต่างชนิดด้วยพันธะ: ด้วยการเชื่อมต่อโดยตรงกับเบนโซไซโคลบิวทีน (BCB) หรือซิลิคอนไดออกไซด์ ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตจะถูกถ่ายโอนไปยังแพลตฟอร์มซิลิคอนหรือซิลิคอนไนไตรด์ ทำให้ได้การรวมแบบเสถียรที่อุณหภูมิสูงในระดับเวเฟอร์ ตัวปรับสัญญาณนี้มีแบนด์วิดท์สูง (>70 GHz และอาจเกิน 110 GHz) และความสามารถในการส่งสัญญาณความเร็วสูง
3.2 การบูรณาการวัสดุตัวนำคลื่นแสงแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน: การฝากซิลิคอนหรือซิลิคอนไนไตรด์ลงบนฟิล์มบางของลิเธียมไนโอเบตเพื่อใช้เป็นตัวนำคลื่นแสงยังช่วยให้เกิดการปรับเปลี่ยนทางไฟฟ้าเชิงแสงที่มีประสิทธิภาพอีกด้วย
3.3 การพิมพ์ถ่ายโอนขนาดเล็ก (μTP) สำหรับการรวมวัสดุต่างชนิด: เทคโนโลยีนี้คาดว่าจะถูกนำไปใช้ในการผลิตขนาดใหญ่ โดยจะถ่ายโอนอุปกรณ์ฟังก์ชันที่สร้างไว้ล่วงหน้าไปยังชิปเป้าหมายผ่านอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำสูง หลีกเลี่ยงกระบวนการหลังการผลิตที่ซับซ้อน เทคโนโลยีนี้ได้รับการประยุกต์ใช้สำเร็จแล้วในแพลตฟอร์มที่ใช้ซิลิคอนไนไตรด์และซิลิคอน โดยสามารถทำแบนด์วิดท์ได้หลายสิบกิกะเฮิร์ตซ์

โดยสรุป บทความนี้ได้วางแผนเส้นทางเทคโนโลยีของตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าบนแพลตฟอร์มลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางอย่างเป็นระบบ ตั้งแต่การพัฒนาโครงสร้างโพรงแบบไม่เกิดการสั่นพ้องที่มีประสิทธิภาพสูงและแบนด์วิดท์กว้าง การสำรวจโครงสร้างโพรงแบบเกิดการสั่นพ้องขนาดเล็ก และการบูรณาการกับแพลตฟอร์มโฟโตนิกส์บนซิลิคอนที่พัฒนาแล้ว บทความนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันมหาศาลและความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในการก้าวข้ามข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของตัวปรับสัญญาณแบบดั้งเดิมและบรรลุการสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูง