วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง

ข้อดีและความสำคัญของลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางในเทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอนแบบบูรณาการ

เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟระบบไมโครเวฟโฟตอนมีข้อดีคือ แบนด์วิดท์การทำงานกว้าง ความสามารถในการประมวลผลแบบขนานสูง และการสูญเสียการส่งสัญญาณต่ำ ซึ่งมีศักยภาพที่จะเอาชนะข้อจำกัดทางเทคนิคของระบบไมโครเวฟแบบดั้งเดิม และปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางการทหาร เช่น เรดาร์ สงครามอิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสาร และการวัดและการควบคุม อย่างไรก็ตาม ระบบไมโครเวฟโฟตอนที่ใช้ชิ้นส่วนแยกส่วนมีปัญหาบางประการ เช่น ขนาดใหญ่ น้ำหนักมาก และความเสถียรต่ำ ซึ่งจำกัดการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอนในแพลตฟอร์มอวกาศและทางอากาศอย่างมาก ดังนั้น เทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอนแบบบูรณาการจึงกลายเป็นส่วนสนับสนุนที่สำคัญในการเอาชนะข้อจำกัดของการประยุกต์ใช้ไมโครเวฟโฟตอนในระบบข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ทางการทหาร และใช้ประโยชน์จากข้อดีของเทคโนโลยีไมโครเวฟโฟตอนอย่างเต็มที่

ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการรวมโฟตอนิกส์แบบ SI และเทคโนโลยีการรวมโฟตอนิกส์แบบ INP ได้พัฒนาจนมีความสมบูรณ์มากขึ้นเรื่อยๆ หลังจากการพัฒนามาหลายปีในด้านการสื่อสารด้วยแสง และมีผลิตภัณฑ์จำนวนมากออกสู่ตลาดแล้ว อย่างไรก็ตาม สำหรับการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ เทคโนโลยีการรวมโฟตอนิกส์ทั้งสองประเภทนี้ยังมีปัญหาอยู่บ้าง เช่น ค่าสัมประสิทธิ์ทางไฟฟ้าและแสงแบบไม่เชิงเส้นของตัวปรับสัญญาณ Si และตัวปรับสัญญาณ InP ขัดแย้งกับความเป็นเชิงเส้นสูงและคุณลักษณะไดนามิกขนาดใหญ่ที่เทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟต้องการ ตัวอย่างเช่น สวิตช์แสงซิลิคอนที่ทำให้เกิดการสลับเส้นทางแสง ไม่ว่าจะอาศัยผลกระทบทางความร้อนและแสง ผลกระทบทางไฟฟ้าแบบเพียโซ หรือผลกระทบการกระจายตัวของการฉีดตัวนำ ก็มีปัญหาเรื่องความเร็วในการสลับที่ช้า การใช้พลังงาน และความร้อน ซึ่งไม่สามารถตอบสนองการสแกนลำแสงที่รวดเร็วและการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟขนาดใหญ่ได้

ลิเธียมไนโอเบตเป็นตัวเลือกอันดับแรกเสมอมาสำหรับการใช้งานความเร็วสูงการปรับเปลี่ยนทางอิเล็กโทรออปติกวัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติเด่นในด้านผลกระทบทางไฟฟ้าเชิงแสงเชิงเส้นที่ยอดเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิมนั้นมีข้อจำกัดอยู่ตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกอุปกรณ์นี้ทำจากวัสดุผลึกลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่ และมีขนาดอุปกรณ์ใหญ่มาก ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการได้ การบูรณาการวัสดุลิเธียมไนโอเบตที่มีค่าสัมประสิทธิ์ทางไฟฟ้าเชิงแสงเชิงเส้นเข้ากับระบบเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟแบบบูรณาการจึงกลายเป็นเป้าหมายของนักวิจัยที่เกี่ยวข้อง ในปี 2018 ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกาได้รายงานเทคโนโลยีการบูรณาการโฟตอนิกส์บนฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตเป็นครั้งแรกในวารสาร Nature เนื่องจากเทคโนโลยีนี้มีข้อดีคือการบูรณาการสูง แบนด์วิดท์การปรับเปลี่ยนทางไฟฟ้าเชิงแสงกว้าง และความเป็นเชิงเส้นสูงของผลกระทบทางไฟฟ้าเชิงแสง เมื่อเปิดตัวแล้วจึงดึงดูดความสนใจจากนักวิชาการและอุตสาหกรรมในสาขาการบูรณาการโฟตอนิกส์และโฟตอนิกส์ไมโครเวฟในทันที จากมุมมองของการประยุกต์ใช้โฟตอนไมโครเวฟ บทความนี้จะทบทวนอิทธิพลและความสำคัญของเทคโนโลยีการบูรณาการโฟตอนิกส์บนฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบตต่อการพัฒนาเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟ

วัสดุลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางและฟิล์มบางตัวปรับแต่งลิเธียมไนโอเบต
ในช่วงสองปีที่ผ่านมา วัสดุลิเธียมไนโอเบตชนิดใหม่ได้ปรากฏขึ้น นั่นคือ ฟิล์มลิเธียมไนโอเบตถูกแยกออกจากผลึกลิเธียมไนโอเบตขนาดใหญ่ด้วยวิธีการ “การตัดด้วยไอออน” และเชื่อมติดกับแผ่นเวเฟอร์ Si ด้วยชั้นบัฟเฟอร์ซิลิกาเพื่อสร้างวัสดุ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] ซึ่งในเอกสารนี้เรียกว่าวัสดุลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบาง สามารถสลักท่อนำคลื่นแบบสันที่มีความสูงมากกว่า 100 นาโนเมตรบนวัสดุลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางได้ด้วยกระบวนการกัดแบบแห้งที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม และความแตกต่างของดัชนีหักเหประสิทธิผลของท่อนำคลื่นที่เกิดขึ้นสามารถสูงกว่า 0.8 (สูงกว่าความแตกต่างของดัชนีหักเหของท่อนำคลื่นลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิมที่ 0.02 มาก) ดังแสดงในรูปที่ 1 ท่อนำคลื่นที่มีการจำกัดอย่างมากทำให้ง่ายต่อการจับคู่สนามแสงกับสนามไมโครเวฟเมื่อออกแบบตัวปรับสัญญาณ ดังนั้น การลดแรงดันครึ่งคลื่นและเพิ่มแบนด์วิดท์การมอดูเลชั่นในความยาวที่สั้นลงจึงเป็นประโยชน์

การปรากฏตัวของตัวนำคลื่นแสงลิเธียมไนโอเบตที่มีการสูญเสียต่ำในระดับซับไมครอนได้ทำลายข้อจำกัดของแรงดันขับสูงของตัวปรับสัญญาณแสงลิเธียมไนโอเบตแบบดั้งเดิม ระยะห่างระหว่างอิเล็กโทรดสามารถลดลงเหลือประมาณ 5 ไมโครเมตร และการทับซ้อนระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามโหมดแสงเพิ่มขึ้นอย่างมาก และค่า vπ ·L ลดลงจากมากกว่า 20 V·cm เหลือต่ำกว่า 2.8 V·cm ดังนั้น ภายใต้แรงดันครึ่งคลื่นเดียวกัน ความยาวของอุปกรณ์จึงสามารถลดลงได้อย่างมากเมื่อเทียบกับตัวปรับสัญญาณแบบดั้งเดิม ในขณะเดียวกัน หลังจากปรับพารามิเตอร์ของความกว้าง ความหนา และช่วงห่างของอิเล็กโทรดคลื่นเดินทางให้เหมาะสมแล้ว ดังแสดงในรูป ตัวปรับสัญญาณนี้สามารถมีแบนด์วิดธ์การปรับสัญญาณสูงพิเศษได้มากกว่า 100 GHz

รูปที่ 1 (ก) การกระจายโหมดที่คำนวณได้ และ (ข) ภาพตัดขวางของท่อนำคลื่น LN

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

การเปรียบเทียบตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบางกับตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตเชิงพาณิชย์แบบดั้งเดิม ตัวปรับสัญญาณที่ใช้ซิลิคอน และตัวปรับสัญญาณอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) รวมถึงตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติกความเร็วสูงอื่นๆ ที่มีอยู่ พารามิเตอร์หลักในการเปรียบเทียบ ได้แก่:
(1) ผลคูณของโวลต์-ความยาวครึ่งคลื่น (vπ ·L, V·cm) ซึ่งวัดประสิทธิภาพการมอดูเลตของตัวมอดูเลต ยิ่งค่าน้อย ประสิทธิภาพการมอดูเลตก็จะยิ่งสูงขึ้น
(2) แบนด์วิดท์การมอดูเลชั่น 3 dB (GHz) ซึ่งวัดการตอบสนองของตัวมอดูเลเตอร์ต่อการมอดูเลชั่นความถี่สูง
(3) การสูญเสียการแทรกแสง (dB) ในบริเวณการมอดูเลชัน จากตารางจะเห็นได้ว่าตัวมอดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านแบนด์วิดท์การมอดูเลชัน แรงดันครึ่งคลื่น การสูญเสียการแทรกแสง และอื่นๆ

ซิลิคอนซึ่งเป็นรากฐานสำคัญของออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ ได้รับการพัฒนามาอย่างดี กระบวนการผลิตมีความสมบูรณ์ การย่อขนาดเอื้อต่อการรวมอุปกรณ์แอคทีฟ/พาสซีฟขนาดใหญ่ และตัวปรับสัญญาณของซิลิคอนได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและลึกซึ้งในด้านการสื่อสารด้วยแสง กลไกการปรับสัญญาณด้วยไฟฟ้าและแสงของซิลิคอนส่วนใหญ่ประกอบด้วยการลดจำนวนพาหะ การฉีดพาหะ และการสะสมพาหะ ในบรรดากลไกเหล่านี้ แบนด์วิดท์ของตัวปรับสัญญาณจะดีที่สุดเมื่อใช้กลไกการลดจำนวนพาหะแบบเชิงเส้น แต่เนื่องจากการกระจายสนามแสงทับซ้อนกับความไม่สม่ำเสมอของบริเวณการลดจำนวนพาหะ ผลกระทบนี้จะทำให้เกิดการบิดเบือนอันดับสองแบบไม่เชิงเส้นและการบิดเบือนการผสมสัญญาณอันดับสาม ร่วมกับผลกระทบการดูดซับแสงของพาหะ ซึ่งจะนำไปสู่การลดลงของแอมพลิจูดการปรับสัญญาณด้วยแสงและการบิดเบือนสัญญาณ

ตัวปรับสัญญาณ InP มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเชิงแสงที่โดดเด่น และโครงสร้างบ่อควอนตัมหลายชั้นสามารถสร้างตัวปรับสัญญาณที่มีอัตราสูงมากและใช้แรงดันขับต่ำ โดยมีค่า Vπ·L สูงถึง 0.156V·mm อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหกับสนามไฟฟ้าประกอบด้วยพจน์เชิงเส้นและไม่เชิงเส้น และการเพิ่มความเข้มของสนามไฟฟ้าจะทำให้ผลกระทบอันดับสองเด่นชัดขึ้น ดังนั้น ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าเชิงแสงซิลิคอนและ InP จึงจำเป็นต้องใช้ไบแอสเพื่อสร้างรอยต่อ pn เมื่อทำงาน และรอยต่อ pn จะทำให้เกิดการสูญเสียการดูดซับแสง อย่างไรก็ตาม ขนาดของตัวปรับสัญญาณของทั้งสองชนิดนี้มีขนาดเล็ก โดยขนาดของตัวปรับสัญญาณ InP ในเชิงพาณิชย์มีขนาด 1/4 ของตัวปรับสัญญาณ LN ประสิทธิภาพการปรับสัญญาณสูง เหมาะสำหรับเครือข่ายการส่งสัญญาณแสงดิจิทัลที่มีความหนาแน่นสูงและระยะทางสั้น เช่น ศูนย์ข้อมูล คุณสมบัติทางไฟฟ้าเชิงแสงของลิเธียมไนโอเบตไม่มีกลไกการดูดซับแสงและมีการสูญเสียต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับระบบโคherent ในระยะทางไกลการสื่อสารด้วยแสงมีความจุสูงและอัตราเร็วสูง ในการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ ค่าสัมประสิทธิ์ทางไฟฟ้าเชิงแสงของ Si และ InP ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งไม่เหมาะสมกับระบบโฟตอนไมโครเวฟที่ต้องการความเป็นเชิงเส้นสูงและพลวัตสูง วัสดุลิเธียมไนโอเบตจึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟ เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การมอดูเลตทางไฟฟ้าเชิงแสงที่เป็นเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์