วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและตัวปรับลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ข้อดีและความสำคัญของลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางในเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการ

เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟมีข้อได้เปรียบในด้านแบนด์วิดท์การทำงานขนาดใหญ่ ความสามารถในการประมวลผลแบบขนานที่แข็งแกร่ง และการสูญเสียการส่งข้อมูลต่ำ ซึ่งมีศักยภาพในการทำลายข้อจำกัดทางเทคนิคของระบบไมโครเวฟแบบดั้งเดิม และปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์สารสนเทศอิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร เช่น เรดาร์ สงครามอิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสาร การวัด และการควบคุม อย่างไรก็ตาม ระบบโฟตอนไมโครเวฟที่ใช้อุปกรณ์แยกส่วนมีปัญหาบางประการ เช่น ปริมาตรมาก น้ำหนักมาก และความเสถียรต่ำ ซึ่งเป็นข้อจำกัดอย่างมากในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟในแพลตฟอร์มบนอวกาศและบนอากาศ ดังนั้น เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการจึงกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการหยุดยั้งการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟในระบบสารสนเทศอิเล็กทรอนิกส์ทางทหาร และใช้ประโยชน์จากข้อดีของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟอย่างเต็มที่

ปัจจุบัน เทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนแบบ SI และเทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนแบบ INP ได้รับการพัฒนาอย่างก้าวหน้ามากขึ้นเรื่อยๆ ในด้านการสื่อสารด้วยแสง ส่งผลให้มีผลิตภัณฑ์จำนวนมากออกสู่ตลาด อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟนั้น เทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนทั้งสองประเภทนี้ยังคงมีปัญหาอยู่บ้าง เช่น ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติคัลแบบไม่เชิงเส้นของโมดูเลเตอร์ Si และโมดูเลเตอร์ InP ขัดกับคุณสมบัติเชิงเส้นสูงและไดนามิกขนาดใหญ่ของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟ ยกตัวอย่างเช่น สวิตช์ออปติคัลซิลิคอนที่ทำการสลับเส้นทางแสง ไม่ว่าจะอาศัยผลเชิงความร้อน-ออปติคัล ผลเพียโซอิเล็กทริก หรือผลการกระจายตัวของพาหะ มีปัญหาเรื่องความเร็วในการสลับ การใช้พลังงาน และการใช้ความร้อนที่ช้า ซึ่งไม่สามารถตอบสนองการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟแบบสแกนลำแสงความเร็วสูงและแบบอาร์เรย์ขนาดใหญ่ได้

ลิเธียมไนโอเบตเป็นตัวเลือกแรกสำหรับความเร็วสูงเสมอมาการมอดูเลตด้วยไฟฟ้าออปติกวัสดุนี้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเชิงเส้นที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิมตัวปรับแสงไฟฟ้าผลิตจากวัสดุผลึกลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่ และขนาดของอุปกรณ์มีขนาดใหญ่มาก ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการได้ วิธีการผสานวัสดุลิเธียมไนโอเบตที่มีค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติคัลเชิงเส้นเข้ากับระบบเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการได้กลายเป็นเป้าหมายของนักวิจัยที่เกี่ยวข้อง ในปี พ.ศ. 2561 ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกา ได้รายงานเกี่ยวกับเทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางเป็นครั้งแรกในวารสาร Nature เนื่องจากเทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบด้านการผสานรวมสูง แบนด์วิดท์การมอดูเลตอิเล็กโทรออปติคัลขนาดใหญ่ และความเป็นเชิงเส้นของเอฟเฟกต์อิเล็กโทรออปติคัลสูง เมื่อเปิดตัว เทคโนโลยีนี้ได้รับความสนใจจากทั้งนักวิชาการและภาคอุตสาหกรรมในสาขาการผสานรวมโฟตอนและโฟตอนไมโครเวฟทันที จากมุมมองของการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ บทความนี้จะทบทวนอิทธิพลและความสำคัญของเทคโนโลยีการผสานรวมโฟตอนที่ใช้ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางต่อการพัฒนาเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟ

วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและฟิล์มบางโมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบต
ในช่วงสองปีที่ผ่านมา วัสดุลิเธียมไนโอเบตชนิดใหม่ได้เกิดขึ้น นั่นคือ ฟิล์มลิเธียมไนโอเบตจะถูกลอกออกจากผลึกลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่โดยวิธีการ “ตัดไอออน” และยึดติดกับเวเฟอร์ซิลิกาด้วยชั้นบัฟเฟอร์ซิลิกาเพื่อสร้างวัสดุ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] ซึ่งในบทความนี้เรียกว่าวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง ท่อนำคลื่นแบบสันที่มีความสูงมากกว่า 100 นาโนเมตรสามารถกัดกร่อนลงบนวัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางได้โดยกระบวนการกัดแห้งที่ปรับให้เหมาะสม และความแตกต่างของดัชนีหักเหที่มีประสิทธิภาพของท่อนำคลื่นที่สร้างขึ้นสามารถสูงถึง 0.8 (สูงกว่าความแตกต่างของดัชนีหักเหของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิมที่ 0.02 มาก) ดังแสดงในรูปที่ 1 ท่อนำคลื่นที่มีข้อจำกัดอย่างมากทำให้ง่ายต่อการจับคู่สนามแสงกับสนามไมโครเวฟเมื่อออกแบบโมดูเลเตอร์ ดังนั้นการบรรลุแรงดันครึ่งคลื่นที่ต่ำลงและแบนด์วิดท์การมอดูเลตที่ใหญ่ขึ้นในความยาวที่สั้นลงจึงเป็นประโยชน์

การปรากฏตัวของท่อนำคลื่นซับไมครอนลิเธียมไนโอเบตที่มีการสูญเสียต่ำช่วยขจัดปัญหาคอขวดของแรงดันไฟฟ้าขับสูงของตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิม ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดลดลงเหลือ ~ 5 ไมโครเมตร และเพิ่มการเหลื่อมซ้อนระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามโหมดออปติกอย่างมาก และค่า vπ·L ลดลงจากมากกว่า 20 V·cm เหลือน้อยกว่า 2.8 V·cm ดังนั้น ภายใต้แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่นเดียวกัน ความยาวของอุปกรณ์จึงลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับตัวปรับสัญญาณแบบดั้งเดิม ขณะเดียวกัน หลังจากปรับพารามิเตอร์ความกว้าง ความหนา และช่วงของอิเล็กโทรดคลื่นเคลื่อนที่ให้เหมาะสมดังที่แสดงในภาพ ตัวปรับสัญญาณจะมีความสามารถในการปรับแบนด์วิดท์ได้สูงเป็นพิเศษมากกว่า 100 GHz

รูปที่ 1 (ก) การกระจายโหมดที่คำนวณได้และ (ข) ภาพของหน้าตัดของท่อนำคลื่น LN

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

การเปรียบเทียบตัวปรับเปลี่ยนลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางกับตัวปรับเปลี่ยนลิเธียมไนโอเบตเชิงพาณิชย์แบบดั้งเดิม ตัวปรับเปลี่ยนที่ใช้ซิลิกอน ตัวปรับเปลี่ยนอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และตัวปรับเปลี่ยนไฟฟ้าออปติกความเร็วสูงอื่นๆ ที่มีอยู่ พารามิเตอร์หลักของการเปรียบเทียบ ได้แก่:
(1) ผลคูณความยาวโวลต์ครึ่งคลื่น (vπ ·L, V·cm) การวัดประสิทธิภาพการมอดูเลตของมอดูเลเตอร์ ยิ่งค่าเล็ก ประสิทธิภาพการมอดูเลตก็จะยิ่งสูง
(2) แบนด์วิดท์การมอดูเลชั่น 3 dB (GHz) ซึ่งวัดการตอบสนองของมอดูเลเตอร์ต่อการมอดูเลชั่นความถี่สูง
(3) การสูญเสียการแทรกแสง (dB) ในบริเวณการมอดูเลต จากตารางจะเห็นได้ว่ามอดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านแบนด์วิดท์การมอดูเลต แรงดันไฟฟ้าครึ่งคลื่น การสูญเสียการแทรกแสง และอื่นๆ

ซิลิคอน ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ ได้รับการพัฒนามาจนถึงปัจจุบัน กระบวนการนี้ได้รับการพัฒนาอย่างสมบูรณ์ การย่อขนาดจึงเอื้อต่อการผสานรวมอุปกรณ์แบบแอคทีฟ/พาสซีฟในวงกว้าง และโมดูเลเตอร์ของซิลิคอนได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและลึกซึ้งในสาขาการสื่อสารด้วยแสง กลไกการมอดูเลตด้วยไฟฟ้า-แสงของซิลิคอนส่วนใหญ่ประกอบด้วยการพร่องพาหะ การอัดพาหะ และการสะสมพาหะ ในบรรดากลไกเหล่านี้ แบนด์วิดท์ของโมดูเลเตอร์จะเหมาะสมที่สุดกับกลไกการพร่องพาหะแบบเชิงเส้น แต่เนื่องจากการกระจายสนามแสงซ้อนทับกับความไม่สม่ำเสมอของบริเวณพร่องพาหะ ผลกระทบนี้จะนำไปสู่ความเพี้ยนลำดับที่สองแบบไม่เชิงเส้นและความเพี้ยนลำดับที่สามแบบอินเตอร์โมดูเลชัน ประกอบกับผลกระทบจากการดูดกลืนของพาหะต่อแสง ซึ่งจะนำไปสู่การลดแอมพลิจูดของการมอดูเลตแสงและความเพี้ยนของสัญญาณ

ตัวปรับสัญญาณ InP มีประสิทธิภาพทางไฟฟ้า-ออปติกที่โดดเด่น และโครงสร้างควอนตัมเวลล์แบบหลายชั้นสามารถสร้างตัวปรับสัญญาณที่มีอัตราเร็วสูงและแรงดันไฟฟ้าต่ำด้วยค่า Vπ·L สูงสุด 0.156V · mm อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสงตามสนามไฟฟ้ามีทั้งแบบเชิงเส้นและไม่เชิงเส้น และความเข้มของสนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ผลกระทบอันดับสองเด่นชัด ดังนั้น ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้า-ออปติกซิลิคอนและ InP จึงจำเป็นต้องใช้ไบแอสเพื่อสร้างรอยต่อ pn เมื่อทำงาน ซึ่งรอยต่อ pn จะทำให้แสงสูญเสียการดูดกลืน อย่างไรก็ตาม ขนาดตัวปรับสัญญาณของทั้งสองชนิดนี้มีขนาดเล็ก โดยขนาดของตัวปรับสัญญาณ InP เชิงพาณิชย์มีขนาดเพียง 1/4 ของตัวปรับสัญญาณ LN ประสิทธิภาพการมอดูเลตสูง เหมาะสำหรับเครือข่ายการส่งสัญญาณแสงดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูงและระยะสั้น เช่น ศูนย์ข้อมูล ผลกระทบทางไฟฟ้า-ออปติกของลิเธียมไนโอเบตไม่มีกลไกการดูดกลืนแสงและการสูญเสียแสงต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อแบบโคฮีเรเตอร์ระยะไกลการสื่อสารด้วยแสงด้วยความจุขนาดใหญ่และอัตราเร็วสูง ในการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติกของ Si และ InP ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งไม่เหมาะสำหรับระบบโฟตอนไมโครเวฟที่ต้องการความเป็นเชิงเส้นสูงและไดนามิกสูง วัสดุลิเธียมไนโอเบตเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การมอดูเลตอิเล็กโทรออปติกเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์