ວັດສະດຸລີທຽມໄນໂອເບດແບບຟິມບາງ ແລະ ຕົວດັດແປງລີທຽມໄນໂອເບດແບບຟິມບາງ

ຂໍ້ດີ ແລະ ຄວາມສຳຄັນຂອງ lithium niobate ແບບຟິມບາງໆໃນເຕັກໂນໂລຊີໂຟຕອນໄມໂຄເວຟແບບປະສົມປະສານ

ເທັກໂນໂລຢີໂຟຕອນໄມໂຄເວຟມີຂໍ້ດີຄືແບນວິດການເຮັດວຽກຂະໜາດໃຫຍ່, ຄວາມສາມາດໃນການປະມວນຜົນແບບຂະໜານທີ່ເຂັ້ມແຂງ ແລະ ການສູນເສຍການສົ່ງສັນຍານຕໍ່າ, ເຊິ່ງມີທ່າແຮງທີ່ຈະທຳລາຍຂໍ້ຈຳກັດທາງດ້ານເຕັກນິກຂອງລະບົບໄມໂຄເວຟແບບດັ້ງເດີມ ແລະ ປັບປຸງປະສິດທິພາບຂອງອຸປະກອນຂໍ້ມູນຂ່າວສານທາງທະຫານເຊັ່ນ: ເຣດາ, ສົງຄາມທາງເອເລັກໂຕຣນິກ, ການສື່ສານ ແລະ ການວັດແທກ ແລະ ການຄວບຄຸມ. ເຖິງຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ລະບົບໂຟຕອນໄມໂຄເວຟທີ່ອີງໃສ່ອຸປະກອນແຍກຕ່າງຫາກມີບັນຫາບາງຢ່າງເຊັ່ນ: ປະລິມານຫຼາຍ, ນ້ຳໜັກໜັກ ແລະ ຄວາມໝັ້ນຄົງທີ່ບໍ່ດີ, ເຊິ່ງຈຳກັດການນຳໃຊ້ເຕັກໂນໂລຊີໄມໂຄເວຟໂຟຕອນໃນເວທີອະວະກາດ ແລະ ທາງອາກາດຢ່າງຮ້າຍແຮງ. ດັ່ງນັ້ນ, ເຕັກໂນໂລຊີໄມໂຄເວຟໂຟຕອນປະສົມປະສານກຳລັງກາຍເປັນການສະໜັບສະໜູນທີ່ສຳຄັນເພື່ອທຳລາຍການນຳໃຊ້ໂຟຕອນໄມໂຄເວຟໃນລະບົບຂໍ້ມູນຂ່າວສານທາງທະຫານ ແລະ ໃຫ້ຜົນປະໂຫຍດຢ່າງເຕັມທີ່ຕໍ່ເຕັກໂນໂລຊີໄມໂຄເວຟໂຟຕອນ.

ໃນປະຈຸບັນ, ເຕັກໂນໂລຊີການເຊື່ອມໂຍງໂຟຕອນທີ່ອີງໃສ່ SI ແລະ ເຕັກໂນໂລຊີການເຊື່ອມໂຍງໂຟຕອນທີ່ອີງໃສ່ INP ໄດ້ກາຍເປັນຜູ້ໃຫຍ່ຂຶ້ນເລື້ອຍໆຫຼັງຈາກການພັດທະນາຫຼາຍປີໃນຂະແໜງການສື່ສານທາງແສງ, ແລະ ຜະລິດຕະພັນຫຼາຍຢ່າງໄດ້ຖືກນຳເຂົ້າສູ່ຕະຫຼາດ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ສຳລັບການນຳໃຊ້ໂຟຕອນໄມໂຄເວຟ, ມີບັນຫາບາງຢ່າງໃນເຕັກໂນໂລຊີການເຊື່ອມໂຍງໂຟຕອນສອງປະເພດນີ້: ຕົວຢ່າງ, ສຳປະສິດໄຟຟ້າແສງທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນຂອງໂມດູເລດ Si ແລະ ໂມດູເລດ InP ແມ່ນຂັດກັບລັກສະນະເສັ້ນຊື່ສູງ ແລະ ການເຄື່ອນໄຫວຂະໜາດໃຫຍ່ທີ່ນຳໃຊ້ໂດຍເຕັກໂນໂລຊີໂຟຕອນໄມໂຄເວຟ; ຕົວຢ່າງ, ສະວິດແສງຊິລິໂຄນທີ່ຮັບຮູ້ການສະຫຼັບເສັ້ນທາງແສງ, ບໍ່ວ່າຈະອີງໃສ່ຜົນກະທົບຄວາມຮ້ອນ-ແສງ, ຜົນກະທົບ piezoelectric, ຫຼື ຜົນກະທົບການກະຈາຍຕົວຂອງການສັກຢາພາຫະນະ, ມີບັນຫາກ່ຽວກັບຄວາມໄວສະຫຼັບຊ້າ, ການໃຊ້ພະລັງງານ ແລະ ການໃຊ້ຄວາມຮ້ອນ, ເຊິ່ງບໍ່ສາມາດຕອບສະໜອງການສະແກນລຳແສງໄວ ແລະ ການນຳໃຊ້ໂຟຕອນໄມໂຄເວຟຂະໜາດໃຫຍ່.

ລິທຽມໄນໂອເບດແມ່ນທາງເລືອກທຳອິດສຳລັບຄວາມໄວສູງສະເໝີມາການປັບປ່ຽນດ້ວຍໄຟຟ້າ-ແສງວັດສະດຸເນື່ອງຈາກຜົນກະທົບທາງໄຟຟ້າແສງເສັ້ນຊື່ທີ່ດີເລີດ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ລິທຽມໄນໂອເບດແບບດັ້ງເດີມຕົວປັບສັນຍານໄຟຟ້າ-ແສງແມ່ນເຮັດດ້ວຍວັດສະດຸຜລຶກ lithium niobate ຂະໜາດໃຫຍ່, ແລະຂະໜາດຂອງອຸປະກອນມີຂະໜາດໃຫຍ່ຫຼາຍ, ເຊິ່ງບໍ່ສາມາດຕອບສະໜອງຄວາມຕ້ອງການຂອງເຕັກໂນໂລຊີໄມໂຄເວຟໂຟຕອນປະສົມປະສານ. ວິທີການປະສົມປະສານວັດສະດຸ lithium niobate ທີ່ມີສຳປະສິດໄຟຟ້າແສງເສັ້ນຊື່ເຂົ້າໃນລະບົບເຕັກໂນໂລຊີໄມໂຄເວຟໂຟຕອນປະສົມປະສານໄດ້ກາຍເປັນເປົ້າໝາຍຂອງນັກຄົ້ນຄວ້າທີ່ກ່ຽວຂ້ອງ. ໃນປີ 2018, ທີມງານຄົ້ນຄວ້າຈາກມະຫາວິທະຍາໄລ Harvard ໃນສະຫະລັດອາເມລິກາໄດ້ລາຍງານເປັນຄັ້ງທຳອິດກ່ຽວກັບເຕັກໂນໂລຊີການເຊື່ອມໂຍງໂຟຕອນໂດຍອີງໃສ່ lithium niobate ຟິມບາງໃນ Nature, ເນື່ອງຈາກວ່າເຕັກໂນໂລຊີດັ່ງກ່າວມີຂໍ້ໄດ້ປຽບຂອງການເຊື່ອມໂຍງສູງ, ແບນວິດການມອດູເລດໄຟຟ້າແສງຂະໜາດໃຫຍ່, ແລະຜົນກະທົບທາງໄຟຟ້າແສງເສັ້ນຊື່ສູງ, ເມື່ອເປີດຕົວແລ້ວ, ມັນໄດ້ເຮັດໃຫ້ເກີດຄວາມສົນໃຈທາງວິຊາການແລະອຸດສາຫະກໍາໃນທັນທີໃນຂົງເຂດການເຊື່ອມໂຍງໂຟຕອນແລະໄມໂຄເວຟໂຟຕອນ. ຈາກທັດສະນະຂອງການນໍາໃຊ້ໄມໂຄເວຟໂຟຕອນ, ບົດຄວາມນີ້ທົບທວນອິດທິພົນແລະຄວາມສໍາຄັນຂອງເຕັກໂນໂລຊີການເຊື່ອມໂຍງໂຟຕອນໂດຍອີງໃສ່ lithium niobate ຟິມບາງຕໍ່ການພັດທະນາເຕັກໂນໂລຊີໄມໂຄເວຟໂຟຕອນ.

ວັດສະດຸ lithium niobate ແບບຟິມບາງ ແລະ ຟິມບາງຕົວປັບປ່ຽນ lithium niobate
ໃນສອງປີທີ່ຜ່ານມາ, ວັດສະດຸ lithium niobate ຊະນິດໃໝ່ໄດ້ເກີດຂຶ້ນ, ນັ້ນຄື, ຟິມ lithium niobate ຖືກລອກອອກຈາກຜລຶກ lithium niobate ຂະໜາດໃຫຍ່ໂດຍວິທີການ "ການຊອຍໄອອອນ" ແລະ ຕິດກັບແຜ່ນ Si ດ້ວຍຊັ້ນບັຟເຟີຊິລິກາເພື່ອສ້າງວັດສະດຸ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5], ເຊິ່ງເອີ້ນວ່າວັດສະດຸ lithium niobate ຟິມບາງໃນເອກະສານນີ້. ທໍ່ນຳຄື້ນທີ່ມີສັນທີ່ມີຄວາມສູງຫຼາຍກວ່າ 100 ນາໂນແມັດສາມາດແກະສະຫຼັກໃສ່ວັດສະດຸ lithium niobate ຟິມບາງໄດ້ໂດຍຂະບວນການແກະສະຫຼັກແຫ້ງທີ່ດີທີ່ສຸດ, ແລະ ຄວາມແຕກຕ່າງຂອງດັດຊະນີການຫັກເຫທີ່ມີປະສິດທິພາບຂອງທໍ່ນຳຄື້ນທີ່ສ້າງຂຶ້ນສາມາດບັນລຸໄດ້ຫຼາຍກວ່າ 0.8 (ສູງກວ່າຄວາມແຕກຕ່າງຂອງດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງທໍ່ນຳຄື້ນ lithium niobate ແບບດັ້ງເດີມທີ່ 0.02), ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 1. ທໍ່ນຳຄື້ນທີ່ມີຂໍ້ຈຳກັດຢ່າງແຂງແຮງເຮັດໃຫ້ມັນງ່າຍຕໍ່ການຈັບຄູ່ພາກສະໜາມແສງກັບພາກສະໜາມໄມໂຄເວຟເມື່ອອອກແບບໂມດູເລເຕີ. ດັ່ງນັ້ນ, ມັນຈຶ່ງເປັນປະໂຫຍດທີ່ຈະບັນລຸແຮງດັນເຄິ່ງຄື້ນຕ່ຳ ແລະ ແບນວິດການມອດູເລເຕີທີ່ໃຫຍ່ກວ່າໃນຄວາມຍາວທີ່ສັ້ນກວ່າ.

ຮູບລັກສະນະຂອງຄື້ນນຳທາງຊັບໄມຄຣອນລີທຽມໄນໂອເບດທີ່ມີການສູນເສຍຕ່ຳໄດ້ທຳລາຍຄວາມຕຶງຄຽດຂອງແຮງດັນຂັບເຄື່ອນສູງຂອງໂມດູເລດໄຟຟ້າແສງລີທຽມໄນໂອເບດແບບດັ້ງເດີມ. ໄລຍະຫ່າງລະຫວ່າງເອເລັກໂຕຣດສາມາດຫຼຸດລົງເຖິງ ~ 5 μm, ແລະການຊ້ອນກັນລະຫວ່າງສະໜາມໄຟຟ້າແລະສະໜາມຮູບແບບແສງຈະເພີ່ມຂຶ້ນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ແລະ vπ ·L ຫຼຸດລົງຈາກຫຼາຍກວ່າ 20 V·cm ເປັນໜ້ອຍກວ່າ 2.8 V·cm. ດັ່ງນັ້ນ, ພາຍໃຕ້ແຮງດັນເຄິ່ງຄື້ນດຽວກັນ, ຄວາມຍາວຂອງອຸປະກອນສາມາດຫຼຸດລົງໄດ້ຢ່າງຫຼວງຫຼາຍເມື່ອທຽບກັບໂມດູເລດແບບດັ້ງເດີມ. ໃນເວລາດຽວກັນ, ຫຼັງຈາກການປັບປຸງພາລາມິເຕີຂອງຄວາມກວ້າງ, ຄວາມໜາ ແລະໄລຍະຫ່າງຂອງເອເລັກໂຕຣດຄື້ນເດີນທາງ, ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ, ໂມດູເລດສາມາດມີຄວາມສາມາດໃນການແບນວິດການມອດູເລດສູງຫຼາຍທີ່ສູງກວ່າ 100 GHz.

ຮູບທີ 1 (ກ) ການແຈກຢາຍຮູບແບບການຄິດໄລ່ ແລະ (ຂ) ຮູບພາບຂອງພາກຕັດຂວາງຂອງທໍ່ນຳຄື້ນ LN

ຮູບທີ 2 (ກ) ໂຄງສ້າງຄື້ນນຳທາງ ແລະ ເອເລັກໂຕຣດ ແລະ (ຂ) ແຜ່ນແກນຂອງໂມດູເລດ LN

ການປຽບທຽບຕົວປັບປ່ຽນ lithium niobate ແບບຟິມບາງກັບຕົວປັບປ່ຽນ lithium niobate ທາງການຄ້າແບບດັ້ງເດີມ, ຕົວປັບປ່ຽນທີ່ອີງໃສ່ຊິລິໂຄນ ແລະ ຕົວປັບປ່ຽນ indium phosphide (InP) ແລະ ຕົວປັບປ່ຽນ electro-optical ຄວາມໄວສູງອື່ນໆທີ່ມີຢູ່ແລ້ວ, ພາລາມິເຕີຫຼັກຂອງການປຽບທຽບປະກອບມີ:
(1) ຜົນຄູນຄວາມຍາວຂອງແຮງດັນເຄິ່ງຄື່ນ (vπ ·L, V·cm), ເຊິ່ງວັດແທກປະສິດທິພາບການມອດູເລດຂອງໂມດູເລດ, ຄ່າຍິ່ງນ້ອຍເທົ່າໃດ, ປະສິດທິພາບການມອດູເລດກໍ່ຈະສູງຂຶ້ນເທົ່ານັ້ນ;
(2) ແບນວິດການມອດູເລດ 3 dB (GHz), ເຊິ່ງວັດແທກການຕອບສະໜອງຂອງໂມດູເລດຕໍ່ກັບການມອດູເລດຄວາມຖີ່ສູງ;
(3) ການສູນເສຍການແຊກແສງ (dB) ໃນພື້ນທີ່ການມອດູເລດ. ສາມາດເຫັນໄດ້ຈາກຕາຕະລາງວ່າຕົວປັບຄວາມຖີ່ຂອງລິທຽມໄນໂອເບດແບບຟິມບາງມີຂໍ້ໄດ້ປຽບທີ່ຊັດເຈນໃນແບນວິດການມອດູເລດ, ແຮງດັນເຄິ່ງຄື້ນ, ການສູນເສຍການແຊກແຊງແສງ ແລະ ອື່ນໆ.

ຊິລິໂຄນ, ໃນຖານະເປັນແກນຫຼັກຂອງອອບໂຕເອເລັກໂຕຣນິກປະສົມປະສານ, ໄດ້ຖືກພັດທະນາມາຮອດປະຈຸບັນ, ຂະບວນການດັ່ງກ່າວມີຄວາມສົມບູນແລ້ວ, ການຫຍໍ້ຂະໜາດຂອງມັນເອື້ອອຳນວຍໃຫ້ແກ່ການເຊື່ອມໂຍງຂະໜາດໃຫຍ່ຂອງອຸປະກອນທີ່ມີການເຄື່ອນໄຫວ/ຕົວຕັ້ງຕົວຕີ, ແລະໂມດູເລດຂອງມັນໄດ້ຖືກສຶກສາຢ່າງກວ້າງຂວາງແລະເລິກເຊິ່ງໃນຂົງເຂດການສື່ສານທາງແສງ. ກົນໄກການມອດູເລດໄຟຟ້າ-ແສງຂອງຊິລິໂຄນສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນການຫຼຸດຜ່ອນພາຫະນະ, ການສີດພາຫະນະ ແລະ ການສະສົມພາຫະນະ. ໃນນັ້ນ, ແບນວິດຂອງໂມດູເລດແມ່ນດີທີ່ສຸດດ້ວຍກົນໄກການຫຼຸດຜ່ອນພາຫະນະລະດັບເສັ້ນຊື່, ແຕ່ເນື່ອງຈາກການແຈກຢາຍພາກສະໜາມທາງແສງຊ້ອນກັນກັບຄວາມບໍ່ສະເໝີພາບຂອງພື້ນທີ່ການຫຼຸດລົງ, ຜົນກະທົບນີ້ຈະນຳສະເໜີເງື່ອນໄຂການບິດເບືອນລຳດັບທີສອງທີ່ບໍ່ເປັນເສັ້ນຊື່ ແລະ ການບິດເບືອນລະຫວ່າງໂມດູເລດລຳດັບທີສາມ, ບວກກັບຜົນກະທົບຂອງການດູດຊຶມຂອງພາຫະນະຕໍ່ແສງ, ເຊິ່ງຈະນຳໄປສູ່ການຫຼຸດຜ່ອນຄວາມກວ້າງຂອງການມອດູເລດທາງແສງ ແລະ ການບິດເບືອນສັນຍານ.

ຕົວປັບ InP ມີຜົນກະທົບທາງດ້ານໄຟຟ້າ-ແສງທີ່ໂດດເດັ່ນ, ແລະໂຄງສ້າງບໍ່ຄວອນຕຳຫຼາຍຊັ້ນສາມາດຮັບຮູ້ຕົວປັບແຮງດັນໄຟຟ້າທີ່ມີອັດຕາສູງຫຼາຍ ແລະ ແຮງດັນໄຟຟ້າຕ່ຳທີ່ມີ Vπ·L ສູງເຖິງ 0.156V · ມມ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ການປ່ຽນແປງຂອງດັດຊະນີການຫັກເຫຂອງແສງກັບສະໜາມໄຟຟ້າປະກອບມີເງື່ອນໄຂເສັ້ນຊື່ ແລະ ບໍ່ເປັນເສັ້ນຊື່, ແລະການເພີ່ມຂຶ້ນຂອງຄວາມເຂັ້ມຂອງສະໜາມໄຟຟ້າຈະເຮັດໃຫ້ຜົນກະທົບລຳດັບທີສອງໂດດເດັ່ນ. ດັ່ງນັ້ນ, ຕົວປັບຊິລິກອນ ແລະ InP ໄຟຟ້າ-ແສງຈຳເປັນຕ້ອງໃຊ້ຄວາມລຳອຽງເພື່ອສ້າງຈຸດຕໍ່ pn ເມື່ອພວກມັນເຮັດວຽກ, ແລະຈຸດຕໍ່ pn ຈະນຳເອົາການສູນເສຍການດູດຊຶມມາສູ່ແສງ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ຂະໜາດຕົວປັບຂອງສອງອັນນີ້ແມ່ນນ້ອຍ, ຂະໜາດຕົວປັບ InP ທາງການຄ້າແມ່ນ 1/4 ຂອງຕົວປັບ LN. ປະສິດທິພາບການປັບສູງ, ເໝາະສຳລັບເຄືອຂ່າຍສົ່ງສັນຍານດິຈິຕອນທາງແສງທີ່ມີຄວາມໜາແໜ້ນສູງ ແລະ ໄລຍະທາງສັ້ນເຊັ່ນ: ສູນຂໍ້ມູນ. ຜົນກະທົບທາງດ້ານໄຟຟ້າ-ແສງຂອງ lithium niobate ບໍ່ມີກົນໄກການດູດຊຶມແສງ ແລະ ການສູນເສຍຕ່ຳ, ເຊິ່ງເໝາະສົມສຳລັບການເຊື່ອມໂຍງໄລຍະທາງໄກ.ການສື່ສານທາງແສງມີຄວາມຈຸຂະໜາດໃຫຍ່ ແລະ ອັດຕາສູງ. ໃນການນຳໃຊ້ໂຟຕອນໄມໂຄເວຟ, ສຳປະສິດໄຟຟ້າແສງຂອງ Si ແລະ InP ແມ່ນບໍ່ເປັນເສັ້ນຊື່, ເຊິ່ງບໍ່ເໝາະສົມສຳລັບລະບົບໂຟຕອນໄມໂຄເວຟທີ່ສະແຫວງຫາຄວາມເປັນເສັ້ນຊື່ສູງ ແລະ ການເຄື່ອນໄຫວຂະໜາດໃຫຍ່. ວັດສະດຸລີທຽມໄນໂອເບດແມ່ນເໝາະສົມຫຼາຍສຳລັບການນຳໃຊ້ໂຟຕອນໄມໂຄເວຟ ເນື່ອງຈາກສຳປະສິດການມອດູເລດໄຟຟ້າແສງເປັນເສັ້ນຊື່ຢ່າງສົມບູນ.