วัสดุลิเธียมฟิล์มบางและฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต

ข้อดีและความสำคัญของฟิล์มลิเธียมไนโอเบตในเทคโนโลยีไมโครเวฟแบบบูรณาการ

เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟมีข้อดีของแบนด์วิดท์การทำงานขนาดใหญ่ความสามารถในการประมวลผลแบบขนานที่แข็งแกร่งและการสูญเสียการส่งผ่านต่ำซึ่งมีศักยภาพในการทำลายคอขวดทางเทคนิคของระบบไมโครเวฟแบบดั้งเดิมและปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางทหารเช่นเรดาร์สงครามอิเล็กทรอนิกส์การสื่อสารและการวัดและการควบคุม อย่างไรก็ตามระบบโฟตอนไมโครเวฟที่ใช้อุปกรณ์ไม่ต่อเนื่องมีปัญหาบางอย่างเช่นปริมาณมากน้ำหนักหนักและความเสถียรที่ไม่ดีซึ่ง จำกัด การใช้เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟอย่างจริงจังในแพลตฟอร์ม SpaceBorne และ Airborne ดังนั้นเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการจึงกลายเป็นสิ่งสำคัญในการแบ่งการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟในระบบข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางทหารและให้การเล่นอย่างเต็มที่กับข้อดีของเทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอน

ในปัจจุบันเทคโนโลยีการรวมโฟโตนิกที่ใช้ SI และเทคโนโลยีการรวมโทนิคใน INP ได้กลายเป็นผู้ใหญ่มากขึ้นเรื่อย ๆ หลังจากการพัฒนามานานหลายปีในด้านการสื่อสารด้วยแสงและผลิตภัณฑ์จำนวนมากได้เข้าสู่ตลาด อย่างไรก็ตามสำหรับการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟมีปัญหาบางอย่างในเทคโนโลยีการรวมโฟตอนสองชนิดนี้: ตัวอย่างเช่นค่าสัมประสิทธิ์การมองเห็นทางไฟฟ้าแบบไม่เชิงเส้นของโมดูเลเตอร์ SI และโมดูเลเตอร์ INP นั้นตรงกันข้ามกับความเป็นเชิงเส้นสูงและคุณสมบัติแบบไดนามิกขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่นสวิตช์ออปติคัลซิลิกอนที่ตระหนักถึงการสลับเส้นทางออปติคัลไม่ว่าจะขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์ความร้อน-ออปติกเอฟเฟกต์ piezoelectric หรือเอฟเฟกต์การกระจายตัวของผู้ให้บริการมีปัญหาของการสลับความเร็วช้าการใช้พลังงานและการใช้ความร้อน

Lithium Niobate เป็นตัวเลือกแรกสำหรับความเร็วสูงเสมอการมอดูเลตไฟฟ้าออปติกวัสดุเนื่องจากเอฟเฟกต์อิเล็กโทรฟิวชั่นเชิงเส้นที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตามลิเธียม niobate แบบดั้งเดิมเครื่องดัดแปลงไฟฟ้าทำจากวัสดุคริสตัลลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่และขนาดอุปกรณ์มีขนาดใหญ่มากซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนด้วยไมโครเวฟแบบบูรณาการ วิธีการรวมวัสดุลิเธียม niobate เข้ากับค่าสัมประสิทธิ์ออปติกเชิงเส้นเข้ากับระบบเทคโนโลยีไมโครเวฟแบบบูรณาการได้กลายเป็นเป้าหมายของนักวิจัยที่เกี่ยวข้อง ในปีพ. ศ. 2561 ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกาเป็นครั้งแรกรายงานเทคโนโลยีการบูรณาการโทนิคโดยใช้ฟิล์มลิเธียมไนโอเบตในธรรมชาติเพราะเทคโนโลยีมีข้อได้เปรียบของการรวมเข้าด้วยกันสูงแบนด์วิดท์การปรับอสังหาริมทรัพย์ขนาดใหญ่ จากมุมมองของแอปพลิเคชันโฟตอนไมโครเวฟบทความนี้จะทบทวนอิทธิพลและความสำคัญของเทคโนโลยีการรวมโฟตอนที่ใช้ลิเธียมฟิล์มบาง ๆ เกี่ยวกับการพัฒนาเทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอน

วัสดุลิเธียมฟิล์มฟิล์มบางและฟิล์มบาง ๆLithium Niobate Modulator
ในช่วงสองปีที่ผ่านมาวัสดุลิเธียม niobate ชนิดใหม่ได้โผล่ออกมานั่นคือฟิล์มลิเธียม niobate ถูกขัดออกจากคริสตัลลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่โดยวิธีการ "การหั่นไอออน" ท่อนำคลื่นริดจ์ที่มีความสูงมากกว่า 100 นาโนเมตรสามารถแกะสลักบนวัสดุลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางโดยกระบวนการแกะสลักแห้งที่ดีที่สุดและความแตกต่างของดัชนีการหักเหของแสงที่มีประสิทธิภาพของท่อนำคลื่นที่เกิดขึ้นสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 0.8 (สูงกว่าดัชนีการหักเหของแสง การออกแบบโมดูเลเตอร์ ดังนั้นจึงเป็นประโยชน์ที่จะได้รับแรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นที่ต่ำกว่าและแบนด์วิดท์การมอดูเลตที่ใหญ่กว่าในความยาวที่สั้นกว่า

การปรากฏตัวของท่อนำคลื่น Submicron Lethium Niobate ที่สูญเสียต่ำทำให้คอขวดของแรงดันไฟฟ้าสูงของมอดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิม ระยะห่างอิเล็กโทรดสามารถลดลงเหลือ ~ 5 μmและการทับซ้อนระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามโหมดออพติคอลเพิ่มขึ้นอย่างมากและVπ· L ลดลงจากมากกว่า 20 V · cm เป็นน้อยกว่า 2.8 V · cm ดังนั้นภายใต้แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นเดียวกันความยาวของอุปกรณ์สามารถลดลงได้อย่างมากเมื่อเทียบกับโมดูเลเตอร์แบบดั้งเดิม ในเวลาเดียวกันหลังจากเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์ของความกว้างความหนาและช่วงเวลาของอิเล็กโทรดคลื่นการเดินทางดังแสดงในรูปตัวโมดูเลเตอร์สามารถมีความสามารถของแบนด์วิดท์การปรับสูงเป็นพิเศษมากกว่า 100 GHz

รูปที่ 1 （A） การกระจายโหมดที่คำนวณได้และ （B） ภาพของ cross-section ของท่อนำคลื่น LN

รูปที่ 2 （A) โครงสร้างท่อนำคลื่นและอิเล็กโทรดและ （b） coreplate ของ ln modulator

การเปรียบเทียบโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางกับโมดูเลเตอร์เชิงพาณิชย์ลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิมตัวดัดแปลงที่ใช้ซิลิกอนและอินเดียนalฟอสฟอรัส (INP) โมดูเลเตอร์และโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าความเร็วสูงที่มีอยู่อื่น ๆ ที่มีอยู่
(1) ผลิตภัณฑ์ความยาวโวลต์ครึ่งคลื่น (Vπ· L, V · cm), การวัดประสิทธิภาพการมอดูเลตของโมดูเลเตอร์, ค่าที่เล็กลงก็ยิ่งมีประสิทธิภาพในการมอดูเลตสูงขึ้นเท่านั้น
(2) แบนด์วิดท์การมอดูเลต 3 เดซิเบล (GHZ) ซึ่งวัดการตอบสนองของโมดูเลเตอร์ต่อการปรับความถี่สูง
(3) การสูญเสียการแทรกแสง (DB) ในภูมิภาคการปรับ จะเห็นได้จากตารางที่ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตโมดูเลเตอร์มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการปรับแบนด์วิดท์แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นการสูญเสียการแก้ไขด้วยแสงและอื่น ๆ

ซิลิคอนซึ่งเป็นรากฐานที่สำคัญของออพโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการได้รับการพัฒนามาแล้วกระบวนการนี้เป็นผู้ใหญ่การย่อขนาดของมันเอื้อต่อการบูรณาการขนาดใหญ่ของอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่/พาสซีฟ กลไกการมอดูเลตไฟฟ้าของซิลิคอนส่วนใหญ่เป็นพาหะที่ลดลงการฉีดผู้ให้บริการและการสะสมของผู้ให้บริการ ในหมู่พวกเขาแบนด์วิดธ์ของโมดูเลเตอร์นั้นเหมาะสมที่สุดกับกลไกการลดลงของผู้ให้บริการระดับเชิงเส้น แต่เนื่องจากการกระจายสนามออปติคัลซ้อนทับกับความไม่สม่ำเสมอของภูมิภาคการพร่องผลกระทบนี้จะแนะนำการบิดเบือนลำดับที่สองแบบไม่เชิงเส้น

โมดูเลเตอร์ INP มีเอฟเฟกต์ไฟฟ้าที่โดดเด่นและโครงสร้างหลุมควอนตัมหลายชั้นสามารถตระหนักถึงอัตราที่สูงเป็นพิเศษและโมดูเลเตอร์แรงดันไฟฟ้าต่ำที่มีVπ· L สูงถึง 0.156V ·มม. อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเหของแสงกับสนามไฟฟ้ารวมถึงคำศัพท์เชิงเส้นและไม่เชิงเส้นและการเพิ่มขึ้นของความเข้มของสนามไฟฟ้าจะทำให้เอฟเฟกต์ลำดับที่สองโดดเด่น ดังนั้นตัวปรับเปลี่ยนซิลิคอนและอิเล็กโทรนิกอินพีจำเป็นต้องใช้อคติในการสร้างทางแยก PN เมื่อทำงานและทางแยก PN จะนำการสูญเสียการดูดซับไปสู่แสง อย่างไรก็ตามขนาดโมดูเลเตอร์ของทั้งสองนี้มีขนาดเล็กขนาดโมดูเลเตอร์อินพ์เชิงพาณิชย์คือ 1/4 ของโมดูเลเตอร์ LN ประสิทธิภาพการมอดูเลตสูงเหมาะสำหรับความหนาแน่นสูงและเครือข่ายการส่งแสงแบบออพติคอลดิจิตอลระยะสั้นเช่นศูนย์ข้อมูล ผลกระทบทางไฟฟ้าของลิเธียม niobate ไม่มีกลไกการดูดซับแสงและการสูญเสียต่ำซึ่งเหมาะสำหรับการเชื่อมโยงกันทางไกลการสื่อสารด้วยแสงด้วยกำลังการผลิตขนาดใหญ่และอัตราสูง ในแอปพลิเคชันโฟตอนไมโครเวฟค่าสัมประสิทธิ์การมองเห็นทางไฟฟ้าของ SI และ INP นั้นไม่เชิงเส้นซึ่งไม่เหมาะสำหรับระบบโฟตอนไมโครเวฟซึ่งมีความเป็นเส้นตรงสูงและพลวัตขนาดใหญ่ วัสดุลิเธียม niobate เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้โฟตอนไมโครเวฟเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การมอดูเลตไฟฟ้าเชิงเส้นตรงอย่างสมบูรณ์