วัสดุลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางและโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบาง

ข้อดีและความสำคัญของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบรวม

เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟมีข้อดีคือแบนด์วิธการทำงานขนาดใหญ่ ความสามารถในการประมวลผลแบบขนานที่แข็งแกร่ง และการสูญเสียการส่งข้อมูลต่ำ ซึ่งมีศักยภาพในการทำลายคอขวดทางเทคนิคของระบบไมโครเวฟแบบดั้งเดิม และปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร เช่น เรดาร์ สงครามอิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสารและการวัด และ ควบคุม. อย่างไรก็ตาม ระบบโฟตอนไมโครเวฟที่ใช้อุปกรณ์แยกส่วนมีปัญหาบางอย่าง เช่น ปริมาตรมาก น้ำหนักมาก และความเสถียรต่ำ ซึ่งจำกัดการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟในแพลตฟอร์มอวกาศและทางอากาศอย่างจริงจัง ดังนั้น เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการจึงกลายเป็นส่วนสนับสนุนที่สำคัญในการทำลายการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟในระบบข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางการทหาร และใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟอย่างเต็มที่

ปัจจุบัน เทคโนโลยีการรวมโฟโตนิกที่ใช้ SI และเทคโนโลยีการรวมโฟโตนิกที่ใช้ INP นั้นมีการเติบโตมากขึ้นเรื่อยๆ หลังจากหลายปีของการพัฒนาในด้านการสื่อสารด้วยแสง และมีผลิตภัณฑ์จำนวนมากเข้าสู่ตลาด อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ มีปัญหาบางประการในเทคโนโลยีการรวมโฟตอนสองชนิดนี้: ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์แสงไฟฟ้าแบบไม่เชิงเส้นของโมดูเลเตอร์ Si และโมดูเลเตอร์ InP นั้นตรงกันข้ามกับความเป็นเส้นตรงสูงและคุณลักษณะไดนามิกขนาดใหญ่ที่ติดตามโดยไมโครเวฟ เทคโนโลยีโฟตอน ตัวอย่างเช่น สวิตช์ออปติคัลซิลิคอนที่รับรู้ถึงการเปลี่ยนเส้นทางแสง ไม่ว่าจะขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์แสงความร้อน เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก หรือเอฟเฟกต์การกระจายตัวของผู้ให้บริการ มีปัญหาเรื่องความเร็วในการเปลี่ยนช้า การใช้พลังงาน และการใช้ความร้อน ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความรวดเร็วได้ การสแกนลำแสงและการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟขนาดใหญ่

ลิเธียมไนโอเบตเป็นตัวเลือกแรกสำหรับความเร็วสูงมาโดยตลอดการมอดูเลตด้วยไฟฟ้าออปติกวัสดุเนื่องจากมีเอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกเชิงเส้นที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตามลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิมโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าแสงทำจากวัสดุคริสตัลลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่ และขนาดของอุปกรณ์มีขนาดใหญ่มาก ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบรวม วิธีการรวมวัสดุลิเธียมไนโอเบตเข้ากับค่าสัมประสิทธิ์แสงไฟฟ้าเชิงเส้นเข้ากับระบบเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบรวมกลายเป็นเป้าหมายของนักวิจัยที่เกี่ยวข้อง ในปี 2018 ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริการายงานเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับเทคโนโลยีการรวมโฟโตนิกโดยใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในธรรมชาติ เนื่องจากเทคโนโลยีนี้มีข้อดีของการบูรณาการสูง แบนด์วิดท์การปรับแสงด้วยไฟฟ้าขนาดใหญ่ และความเป็นเส้นตรงสูงของไฟฟ้า - ผลกระทบทางแสง เมื่อเปิดตัว มันจะทำให้เกิดความสนใจทั้งทางวิชาการและอุตสาหกรรมในด้านการบูรณาการโฟโตนิกและโฟโตนิกส์ไมโครเวฟทันที จากมุมมองของการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ บทความนี้จะทบทวนอิทธิพลและความสำคัญของเทคโนโลยีการรวมโฟตอนโดยใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางต่อการพัฒนาเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟ

วัสดุลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางและฟิล์มบางโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบต
ในช่วงสองปีที่ผ่านมา วัสดุลิเธียมไนโอเบตชนิดใหม่ได้ถือกำเนิดขึ้น กล่าวคือ ฟิล์มลิเธียมไนโอเบตถูกขัดออกจากผลึกลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่โดยวิธีการ "หั่นไอออน" และเชื่อมติดกับแผ่นเวเฟอร์ Si ด้วยชั้นบัฟเฟอร์ซิลิกา สร้างวัสดุ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] ซึ่งเรียกว่าวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางในบทความนี้ ท่อนำคลื่นริดจ์ที่มีความสูงมากกว่า 100 นาโนเมตรสามารถแกะสลักบนวัสดุลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางโดยกระบวนการแกะสลักแบบแห้งที่เหมาะสมที่สุด และความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงที่มีประสิทธิภาพของท่อนำคลื่นที่เกิดขึ้นสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 0.8 (สูงกว่าความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแบบดั้งเดิมมาก ท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบต 0.02) ดังแสดงในรูปที่ 1 ท่อนำคลื่นที่มีข้อจำกัดอย่างเข้มงวดทำให้ง่ายต่อการจับคู่สนามแสงกับสนามไมโครเวฟเมื่อออกแบบโมดูเลเตอร์ ดังนั้นจึงเป็นประโยชน์ที่จะได้รับแรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นที่ต่ำกว่าและแบนด์วิธการมอดูเลตที่ใหญ่ขึ้นในความยาวที่สั้นลง

การปรากฏตัวของท่อนำคลื่นซับไมครอนลิเธียมไนโอเบตที่สูญเสียต่ำช่วยลดปัญหาคอขวดของแรงดันไฟฟ้าในการขับขี่สูงของโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิม ระยะห่างของอิเล็กโทรดสามารถลดลงเหลือ ~ 5 μm และการทับซ้อนระหว่างสนามไฟฟ้าและฟิลด์โหมดออปติคัลจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และ vπ ·L ลดลงจากมากกว่า 20 V·cm เป็นน้อยกว่า 2.8 V·cm ดังนั้นภายใต้แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นเดียวกัน ความยาวของอุปกรณ์จึงสามารถลดลงได้อย่างมากเมื่อเทียบกับโมดูเลเตอร์แบบเดิม ในเวลาเดียวกัน หลังจากปรับพารามิเตอร์ความกว้าง ความหนา และช่วงเวลาของอิเล็กโทรดคลื่นเคลื่อนที่ให้เหมาะสมแล้ว ดังแสดงในรูป โมดูเลเตอร์สามารถมีความสามารถของแบนด์วิธการมอดูเลตสูงพิเศษมากกว่า 100 GHz

รูปที่ 1 (a) การกระจายโหมดที่คำนวณได้ และ (b) รูปภาพของหน้าตัดของท่อนำคลื่น LN

รูปที่ 2 (a) ท่อนำคลื่นและโครงสร้างอิเล็กโทรด และ (b) แกนกลางของโมดูเลเตอร์ LN

การเปรียบเทียบโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางกับโมดูเลเตอร์เชิงพาณิชย์ลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิม โมดูเลเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนและโมดูเลเตอร์อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าแสงความเร็วสูงอื่น ๆ ที่มีอยู่ พารามิเตอร์หลักของการเปรียบเทียบประกอบด้วย:
(1) ผลิตภัณฑ์ความยาวคลื่นโวลต์ครึ่งคลื่น (vπ · L, V · cm) การวัดประสิทธิภาพการมอดูเลชั่นของโมดูเลเตอร์ ยิ่งค่าเล็กลง ประสิทธิภาพการมอดูเลชั่นก็จะยิ่งสูงขึ้น
(2) แบนด์วิธการมอดูเลต 3 dB (GHz) ซึ่งวัดการตอบสนองของโมดูเลเตอร์ต่อการมอดูเลตความถี่สูง
(3) การสูญเสียการแทรกด้วยแสง (dB) ในภูมิภาคการปรับ จากตารางจะเห็นได้ว่าโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในแบนด์วิธการมอดูเลต แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่น การสูญเสียการแก้ไขด้วยแสงและอื่น ๆ

จนถึงขณะนี้ ซิลิคอนซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการได้รับการพัฒนา กระบวนการนี้เติบโตเต็มที่ การย่อขนาดให้เล็กลงเอื้อต่อการบูรณาการอุปกรณ์แอคทีฟ/พาสซีฟในวงกว้าง และโมดูเลเตอร์ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและลึกซึ้งในสาขาออปติคัล การสื่อสาร. กลไกการมอดูเลตด้วยแสงไฟฟ้าของซิลิคอนส่วนใหญ่เป็นพาหะนำพา, การฉีดพาหะ และการสะสมของพาหะ ในหมู่พวกเขา แบนด์วิดท์ของโมดูเลเตอร์เหมาะสมที่สุดด้วยกลไกการสูญเสียพาหะระดับเชิงเส้น แต่เนื่องจากการกระจายสนามแสงซ้อนทับกับความไม่สม่ำเสมอของพื้นที่พร่อง เอฟเฟกต์นี้จะทำให้เกิดการบิดเบือนลำดับที่สองแบบไม่เชิงเส้นและการบิดเบือนระหว่างมอดูเลชันลำดับที่สาม ควบคู่ไปกับผลการดูดกลืนแสงของพาหะบนแสง ซึ่งจะนำไปสู่การลดความกว้างของการปรับแสงและการบิดเบือนของสัญญาณ

โมดูเลเตอร์ InP มีเอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติกที่โดดเด่น และโครงสร้างหลุมควอนตัมหลายชั้นสามารถรับรู้โมดูเลเตอร์แรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนที่มีอัตราสูงและต่ำเป็นพิเศษด้วย Vπ·L สูงถึง 0.156V · มม. อย่างไรก็ตาม การแปรผันของดัชนีการหักเหของสนามไฟฟ้ารวมถึงเงื่อนไขเชิงเส้นและไม่เชิงเส้น และการเพิ่มขึ้นของความเข้มของสนามไฟฟ้าจะทำให้เอฟเฟกต์ลำดับที่สองโดดเด่น ดังนั้น โมดูเลเตอร์อิเล็กโทรออปติกของซิลิคอนและ InP จึงจำเป็นต้องใช้อคติเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ pn เมื่อทำงาน และจุดเชื่อมต่อ pn จะทำให้สูญเสียการดูดกลืนแสงกับแสง อย่างไรก็ตาม ขนาดโมดูเลเตอร์ของทั้งสองมีขนาดเล็ก ขนาดโมดูเลเตอร์ InP เชิงพาณิชย์คือ 1/4 ของโมดูเลเตอร์ LN ประสิทธิภาพการมอดูเลตสูง เหมาะสำหรับเครือข่ายการส่งผ่านแสงดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูงและระยะสั้น เช่น ศูนย์ข้อมูล ผลกระทบทางไฟฟ้าแสงของลิเธียมไนโอเบตไม่มีกลไกการดูดซับแสงและการสูญเสียต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการเชื่อมโยงกันในระยะไกลการสื่อสารด้วยแสงด้วยความจุขนาดใหญ่และอัตราที่สูง ในการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ ค่าสัมประสิทธิ์แสงไฟฟ้าของ Si และ InP ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งไม่เหมาะสำหรับระบบโฟตอนไมโครเวฟที่แสวงหาความเป็นเส้นตรงสูงและไดนามิกขนาดใหญ่ วัสดุลิเธียมไนโอเบตเหมาะมากสำหรับการใช้งานโฟตอนด้วยไมโครเวฟ เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การปรับด้วยไฟฟ้าออปติกเชิงเส้นโดยสมบูรณ์