ความคืบหน้าการวิจัยเกี่ยวกับตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ความก้าวหน้าในการวิจัยของตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

อุปกรณ์ปรับสัญญาณแสงด้วยไฟฟ้า (Electro-optic modulator) เป็นอุปกรณ์หลักของระบบสื่อสารด้วยแสงและระบบโฟตอนิกไมโครเวฟ ทำหน้าที่ควบคุมการแพร่กระจายของแสงในพื้นที่ว่างหรือท่อนำแสงโดยการเปลี่ยนดัชนีหักเหของวัสดุที่เกิดจากสนามไฟฟ้าที่ใช้ โดยทั่วไปแล้วลิเธียมไนโอเบตเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกใช้วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบก้อนเป็นวัสดุอิเล็กโทรออปติก วัสดุลิเธียมไนโอเบตผลึกเดี่ยวจะถูกเจือปนเฉพาะที่เพื่อสร้างท่อนำคลื่นผ่านกระบวนการแพร่ของไทเทเนียมหรือการแลกเปลี่ยนโปรตอน ความแตกต่างของดัชนีหักเหระหว่างชั้นแกนกลางและชั้นหุ้มมีน้อยมาก และท่อนำคลื่นมีความสามารถในการยึดเกาะสนามแสงได้ไม่ดี ความยาวรวมของตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกที่บรรจุแล้วโดยทั่วไปอยู่ที่ 5-10 ซม.

เทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตบนฉนวน (LNOI) เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาขนาดใหญ่ของตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าลิเธียมไนโอเบต ความแตกต่างของดัชนีหักเหระหว่างชั้นแกนนำคลื่นและชั้นหุ้มมีค่าสูงถึง 0.7 ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการจับยึดโหมดแสงและผลการควบคุมแสงไฟฟ้าของแกนนำคลื่นได้อย่างมาก และกลายเป็นประเด็นวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในสาขาตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้า

เนื่องจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการผลิตขนาดเล็ก การพัฒนาตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าบนแพลตฟอร์ม LNOI จึงมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว โดยมีแนวโน้มขนาดที่กะทัดรัดขึ้นและประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างต่อเนื่อง ตามโครงสร้างของท่อนำคลื่นที่ใช้ ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางทั่วไป ได้แก่ ตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าแบบท่อนำคลื่นที่กัดโดยตรง และแบบไฮบริดที่โหลดตัวปรับสัญญาณคลื่นนำแสงและตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงแบบไฮบริดซิลิคอนรวมคลื่นแสง

ในปัจจุบัน การปรับปรุงกระบวนการกัดแบบแห้งช่วยลดการสูญเสียของตัวนำคลื่นแสงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้อย่างมาก วิธีการโหลดแบบสันช่วยแก้ปัญหาความยากลำบากของกระบวนการกัดที่สูง และทำให้สามารถสร้างตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าลิเธียมไนโอเบตที่มีแรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 1 โวลต์ครึ่งคลื่นได้สำเร็จ และการผสมผสานกับเทคโนโลยี SOI ที่พัฒนาแล้วนั้นสอดคล้องกับแนวโน้มของการบูรณาการแบบไฮบริดของโฟตอนและอิเล็กตรอน เทคโนโลยีลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีข้อดีในการสร้างตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าแบบบูรณาการบนชิปที่มีการสูญเสียต่ำ ขนาดเล็ก และแบนด์วิดท์กว้าง ในทางทฤษฎี คาดการณ์ว่าตัวนำคลื่นแสงไฟฟ้าแบบผลักและดึงลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง 3 มม. จะสามารถทำได้ตัวปรับสัญญาณ M⁃Zแบนด์วิดท์ทางอิเล็กโทรออปติก 3dB สามารถเข้าถึงได้ถึง 400 GHz และแบนด์วิดท์ของตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางที่เตรียมขึ้นในทางทดลองนั้นมีรายงานว่าอยู่ที่มากกว่า 100 GHz เล็กน้อย ซึ่งยังห่างไกลจากขีดจำกัดสูงสุดทางทฤษฎี การปรับปรุงที่เกิดจากการปรับพารามิเตอร์โครงสร้างพื้นฐานนั้นมีข้อจำกัด ในอนาคต จากมุมมองของการสำรวจกลไกและโครงสร้างใหม่ๆ เช่น การออกแบบอิเล็กโทรดนำคลื่นแบบระนาบมาตรฐานให้เป็นอิเล็กโทรดไมโครเวฟแบบแบ่งส่วน ประสิทธิภาพของตัวปรับสัญญาณอาจได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

นอกจากนี้ การพัฒนาการบรรจุชิปโมดูเลเตอร์แบบบูรณาการและการรวมอุปกรณ์ต่างชนิดบนชิปเข้ากับเลเซอร์ ตัวตรวจจับ และอุปกรณ์อื่นๆ ถือเป็นทั้งโอกาสและความท้าทายสำหรับการพัฒนาโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในอนาคต โมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกส์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในด้านไมโครเวฟโฟตอน การสื่อสารทางแสง และสาขาอื่นๆ