วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ข้อดีและความสำคัญของลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางในเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการ

เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟมีข้อได้เปรียบของแบนด์วิดท์การทำงานขนาดใหญ่ ความสามารถในการประมวลผลแบบขนานที่แข็งแกร่ง และการสูญเสียการส่งข้อมูลต่ำ ซึ่งมีศักยภาพในการทำลายคอขวดทางเทคนิคของระบบไมโครเวฟแบบดั้งเดิม และปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร เช่น เรดาร์ สงครามอิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสาร การวัด และการควบคุม อย่างไรก็ตาม ระบบโฟตอนไมโครเวฟที่ใช้พื้นฐานอุปกรณ์แยกส่วนมีปัญหาบางประการ เช่น ปริมาตรมาก น้ำหนักมาก และความเสถียรต่ำ ซึ่งจำกัดการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟในแพลตฟอร์มบนอวกาศและบนอากาศอย่างจริงจัง ดังนั้น เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการจึงกลายเป็นการสนับสนุนที่สำคัญในการหยุดการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟในระบบข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร และให้ประโยชน์อย่างเต็มที่จากเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟ

ปัจจุบันเทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนิกส์ที่ใช้ SI และเทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนิกส์ที่ใช้ INP ได้รับการพัฒนามากขึ้นเรื่อยๆ หลังจากหลายปีของการพัฒนาในด้านการสื่อสารด้วยแสง และมีการนำผลิตภัณฑ์จำนวนมากออกสู่ตลาด อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟนั้น มีปัญหาบางประการในเทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนทั้งสองประเภทนี้ ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกแบบไม่เชิงเส้นของโมดูเลเตอร์ Si และโมดูเลเตอร์ InP นั้นขัดแย้งกับความเป็นเส้นตรงสูงและลักษณะไดนามิกขนาดใหญ่ที่แสวงหาโดยเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟ ตัวอย่างเช่น สวิตช์ออปติกซิลิคอนที่ทำการสลับเส้นทางแสงได้ ไม่ว่าจะขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์ความร้อน-ออปติก เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก หรือเอฟเฟกต์การกระจายการฉีดพาหะ มีปัญหาด้านความเร็วในการสลับ การใช้พลังงาน และการใช้ความร้อนที่ช้า ซึ่งไม่สามารถตอบสนองการสแกนลำแสงที่รวดเร็วและแอปพลิเคชั่นโฟตอนไมโครเวฟขนาดใหญ่ได้

ลิเธียมไนโอเบตเป็นตัวเลือกแรกเสมอสำหรับความเร็วสูงการมอดูเลชั่นด้วยไฟฟ้าออปติกวัสดุนี้มีผลทางไฟฟ้าออปติกเชิงเส้นที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิมตัวปรับแสงไฟฟ้าทำจากวัสดุคริสตัลลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่ และขนาดอุปกรณ์มีขนาดใหญ่มาก ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการได้ วิธีการผสานวัสดุลิเธียมไนโอเบตที่มีค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกเชิงเส้นเข้ากับระบบเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการได้กลายเป็นเป้าหมายของนักวิจัยที่เกี่ยวข้อง ในปี 2018 ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกาได้รายงานเทคโนโลยีการผสานโฟตอนที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางเป็นครั้งแรกใน Nature เนื่องจากเทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบของการผสานสูง แบนด์วิดท์การปรับแสงไฟฟ้าขนาดใหญ่ และเอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกเชิงเส้นสูง เมื่อเปิดตัว ก็ทำให้เกิดความสนใจในวิชาการและอุตสาหกรรมในสาขาการผสานโฟตอนและโฟตอนไมโครเวฟทันที จากมุมมองของการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ บทความนี้ทบทวนอิทธิพลและความสำคัญของเทคโนโลยีการผสานโฟตอนที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในการพัฒนาเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟ

วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและฟิล์มบางโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบต
ในช่วง 2 ปีที่ผ่านมา วัสดุลิเธียมไนโอเบตชนิดใหม่ได้เกิดขึ้น นั่นคือ ฟิล์มลิเธียมไนโอเบตจะถูกลอกออกจากผลึกลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่โดยวิธีการ "หั่นไอออน" และเชื่อมติดกับเวเฟอร์ซิลิกาด้วยชั้นบัฟเฟอร์ซิลิกาเพื่อสร้างวัสดุ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] ซึ่งเรียกว่าวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในเอกสารฉบับนี้ ท่อนำคลื่นแบบสันที่มีความสูงมากกว่า 100 นาโนเมตรสามารถแกะสลักบนวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้ด้วยกระบวนการแกะสลักแห้งที่ปรับให้เหมาะสม และความแตกต่างของดัชนีหักเหแสงที่มีประสิทธิภาพของท่อนำคลื่นที่สร้างขึ้นสามารถสูงถึงมากกว่า 0.8 (สูงกว่าความแตกต่างของดัชนีหักเหแสงของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบเดิมซึ่งอยู่ที่ 0.02 มาก) ดังที่แสดงในรูปที่ 1 ท่อนำคลื่นที่มีการจำกัดอย่างเข้มงวดทำให้การจับคู่สนามแสงกับสนามไมโครเวฟง่ายขึ้นเมื่อออกแบบโมดูเลเตอร์ ด้วยเหตุนี้ การบรรลุแรงดันคลื่นครึ่งที่ต่ำลงและแบนด์วิดท์การปรับที่ใหญ่ขึ้นในความยาวที่สั้นลงจึงเป็นประโยชน์

การปรากฏตัวของท่อนำคลื่นย่อยไมโครไมครอนลิเธียมไนโอเบตที่มีการสูญเสียต่ำทำลายคอขวดของแรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนสูงของโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิม ระยะห่างของอิเล็กโทรดสามารถลดลงเหลือ ~ 5 μm และการทับซ้อนระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามโหมดออปติกจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และ vπ ·L ลดลงจากมากกว่า 20 V·cm เหลือต่ำกว่า 2.8 V·cm ดังนั้น ภายใต้แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นเดียวกัน ความยาวของอุปกรณ์สามารถลดลงได้อย่างมากเมื่อเทียบกับโมดูเลเตอร์แบบดั้งเดิม ในเวลาเดียวกัน หลังจากปรับพารามิเตอร์ของความกว้าง ความหนา และช่วงของอิเล็กโทรดคลื่นเดินทางให้เหมาะสมตามที่แสดงในภาพ โมดูเลเตอร์สามารถมีแบนด์วิดท์การมอดูเลตที่สูงเป็นพิเศษมากกว่า 100 GHz

รูปที่ 1 (ก) การกระจายโหมดที่คำนวณได้และ (ข) ภาพของหน้าตัดของท่อนำคลื่น LN

รูปที่ 2 (ก) โครงสร้างท่อนำคลื่นและอิเล็กโทรด และ (ข) แผ่นแกนของมอดูเลเตอร์ LN

การเปรียบเทียบโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางกับโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตเชิงพาณิชย์แบบดั้งเดิม โมดูเลเตอร์ที่ใช้ซิลิกอน โมดูเลเตอร์อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และโมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกความเร็วสูงอื่นๆ ที่มีอยู่ โดยพารามิเตอร์หลักในการเปรียบเทียบ ได้แก่:
(1) ผลคูณความยาวโวลต์ครึ่งคลื่น (vπ ·L, V·cm) วัดประสิทธิภาพการมอดูเลตของมอดูเลต ยิ่งค่ามีค่าน้อยลง ประสิทธิภาพการมอดูเลตก็จะสูงขึ้น
(2) แบนด์วิดท์การมอดูเลชั่น 3 dB (GHz) ซึ่งวัดการตอบสนองของมอดูเลชั่นต่อการมอดูเลชั่นความถี่สูง
(3) การสูญเสียการแทรกแสง (dB) ในบริเวณการมอดูเลชั่น จากตารางจะเห็นได้ว่าโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านแบนด์วิดท์การมอดูเลชั่น แรงดันครึ่งคลื่น การสูญเสียการแทรกแสง และอื่นๆ

ซิลิกอนซึ่งเป็นศิลาฤกษ์ของออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการได้รับการพัฒนาจนถึงปัจจุบัน กระบวนการนี้มีความครบถ้วนสมบูรณ์ การย่อส่วนนั้นเอื้อต่อการบูรณาการอุปกรณ์แอ็คทีฟ/พาสซีฟในขนาดใหญ่ และตัวปรับสัญญาณได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและลึกซึ้งในด้านการสื่อสารด้วยแสง กลไกการมอดูเลตไฟฟ้า-ออปติกของซิลิกอนนั้นส่วนใหญ่คือการถอดพาหะ การฉีดพาหะ และการสะสมพาหะ ในจำนวนนั้น แบนด์วิดท์ของตัวปรับสัญญาณนั้นเหมาะสมที่สุดด้วยกลไกการถอดพาหะแบบเชิงเส้น แต่เนื่องจากการกระจายสนามแสงทับซ้อนกับความไม่สม่ำเสมอของบริเวณการถอดพาหะ ผลกระทบนี้จะนำไปสู่ความบิดเบือนลำดับที่สองแบบไม่เชิงเส้นและเงื่อนไขการบิดเบือนอินเตอร์มอดูเลตลำดับที่สาม ควบคู่ไปกับผลการดูดซับของพาหะต่อแสง ซึ่งจะนำไปสู่การลดลงของแอมพลิจูดการมอดูเลตแสงและการบิดเบือนสัญญาณ

ตัวปรับแสง InP มีเอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกที่โดดเด่น และโครงสร้างควอนตัมเวลล์หลายชั้นสามารถสร้างตัวปรับแสงอัตราสูงและแรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนต่ำที่มี Vπ·L สูงถึง 0.156V · mm อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสงกับสนามไฟฟ้ารวมถึงเงื่อนไขเชิงเส้นและไม่เชิงเส้น และการเพิ่มขึ้นของความเข้มของสนามไฟฟ้าจะทำให้เอฟเฟกต์ลำดับที่สองโดดเด่น ดังนั้น ตัวปรับแสงอิเล็กโทรออปติกซิลิกอนและ InP จึงจำเป็นต้องใช้ไบอัสเพื่อสร้างรอยต่อ pn เมื่อทำงาน และรอยต่อ pn จะทำให้สูญเสียการดูดซับแสง อย่างไรก็ตาม ขนาดตัวปรับแสงของทั้งสองนี้มีขนาดเล็ก ขนาดตัวปรับแสง InP เชิงพาณิชย์คือ 1/4 ของตัวปรับแสง LN ประสิทธิภาพการมอดูเลตสูง เหมาะสำหรับเครือข่ายการส่งสัญญาณออปติกดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูงและระยะสั้น เช่น ศูนย์ข้อมูล เอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกของลิเธียมไนโอเบตไม่มีกลไกการดูดซับแสงและการสูญเสียต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อระยะไกลการสื่อสารด้วยแสงด้วยความจุขนาดใหญ่และอัตราสูง ในการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกของ Si และ InP ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งไม่เหมาะสำหรับระบบโฟตอนไมโครเวฟที่ต้องการความเป็นเชิงเส้นสูงและไดนามิกขนาดใหญ่ วัสดุลิเธียมไนโอเบตเหมาะมากสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การปรับออปติกเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์