សម្ភារៈលីចូមនីអូបេតស្រទាប់ស្តើង និងឧបករណ៍កែប្រែលីចូមនីអូបេតស្រទាប់ស្តើង

គុណសម្បត្តិ និងសារៈសំខាន់នៃលីចូមនីអូបេតខ្សែភាពយន្តស្តើងនៅក្នុងបច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវរួមបញ្ចូលគ្នា

បច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវមានគុណសម្បត្តិនៃកម្រិតបញ្ជូនការងារធំ សមត្ថភាពដំណើរការស្របគ្នាខ្លាំង និងការបាត់បង់ការបញ្ជូនទាប ដែលមានសក្តានុពលក្នុងការបំបែកឧបសគ្គបច្ចេកទេសនៃប្រព័ន្ធមីក្រូវ៉េវប្រពៃណី និងបង្កើនប្រសិទ្ធភាពនៃឧបករណ៍ព័ត៌មានអេឡិចត្រូនិកយោធាដូចជារ៉ាដា សង្គ្រាមអេឡិចត្រូនិក ការទំនាក់ទំនង និងការវាស់វែង និងការគ្រប់គ្រង។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ប្រព័ន្ធហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវដែលផ្អែកលើឧបករណ៍ដាច់ពីគ្នាមានបញ្ហាមួយចំនួនដូចជាបរិមាណច្រើន ទម្ងន់ធ្ងន់ និងស្ថេរភាពមិនល្អ ដែលរឹតត្បិតយ៉ាងធ្ងន់ធ្ងរដល់ការអនុវត្តបច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវនៅក្នុងវេទិកាអវកាស និងលើអាកាស។ ដូច្នេះ បច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវរួមបញ្ចូលគ្នាកំពុងក្លាយជាការគាំទ្រដ៏សំខាន់មួយដើម្បីបំបែកការអនុវត្តហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវនៅក្នុងប្រព័ន្ធព័ត៌មានអេឡិចត្រូនិកយោធា និងផ្តល់អត្ថប្រយោជន៍ពេញលេញដល់បច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ។

បច្ចុប្បន្ននេះ បច្ចេកវិទ្យាសមាហរណកម្មហ្វូតូនិកដែលមានមូលដ្ឋានលើ SI និងបច្ចេកវិទ្យាសមាហរណកម្មហ្វូតូនិកដែលមានមូលដ្ឋានលើ INP កាន់តែមានភាពចាស់ទុំបន្ទាប់ពីការអភិវឌ្ឍអស់រយៈពេលជាច្រើនឆ្នាំនៅក្នុងវិស័យទំនាក់ទំនងអុបទិក ហើយផលិតផលជាច្រើនត្រូវបានដាក់លក់នៅលើទីផ្សារ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ សម្រាប់ការអនុវត្តហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ មានបញ្ហាមួយចំនួននៅក្នុងបច្ចេកវិទ្យាសមាហរណកម្មហ្វូតុងទាំងពីរប្រភេទនេះ៖ ឧទាហរណ៍ មេគុណអេឡិចត្រូអុបទិកមិនមែនលីនេអ៊ែរនៃម៉ូឌុល Si និងម៉ូឌុល InP គឺផ្ទុយពីលក្ខណៈលីនេអ៊ែរខ្ពស់ និងថាមវន្តធំដែលបន្តដោយបច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ។ ឧទាហរណ៍ កុងតាក់អុបទិកស៊ីលីកុនដែលសម្រេចបាននូវការប្តូរផ្លូវអុបទិក មិនថាផ្អែកលើឥទ្ធិពលកម្ដៅ-អុបទិក ឥទ្ធិពល piezoelectric ឬឥទ្ធិពលបំបែកការចាក់សារធាតុផ្ទុក មានបញ្ហានៃល្បឿនប្តូរយឺត ការប្រើប្រាស់ថាមពល និងការប្រើប្រាស់កំដៅ ដែលមិនអាចបំពេញតាមការស្កេនធ្នឹមលឿន និងកម្មវិធីហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវទ្រង់ទ្រាយធំ។

លីចូម នីអូបេត តែងតែជាជម្រើសដំបូងសម្រាប់ល្បឿនលឿនការកែប្រែអេឡិចត្រូអុបទិកសម្ភារៈដោយសារតែឥទ្ធិពលអេឡិចត្រូអុបទិកលីនេអ៊ែរដ៏ល្អឥតខ្ចោះរបស់វា។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ លីចូមនីអូបេតប្រពៃណីឧបករណ៍កែប្រែអេឡិចត្រូអុបទិកត្រូវបានផលិតឡើងពីវត្ថុធាតុគ្រីស្តាល់លីចូមនីអូបេតដ៏ធំ ហើយទំហំឧបករណ៍មានទំហំធំណាស់ ដែលមិនអាចបំពេញតម្រូវការនៃបច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវរួមបញ្ចូលគ្នាបាន។ របៀបរួមបញ្ចូលវត្ថុធាតុលីចូមនីអូបេតជាមួយនឹងមេគុណអេឡិចត្រូអុបទិកលីនេអ៊ែរទៅក្នុងប្រព័ន្ធបច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវរួមបញ្ចូលគ្នាបានក្លាយជាគោលដៅរបស់អ្នកស្រាវជ្រាវពាក់ព័ន្ធ។ នៅឆ្នាំ 2018 ក្រុមស្រាវជ្រាវមួយមកពីសាកលវិទ្យាល័យហាវ៉ាដនៅសហរដ្ឋអាមេរិកបានរាយការណ៍ជាលើកដំបូងអំពីបច្ចេកវិទ្យាសមាហរណកម្មហ្វូតុងដែលផ្អែកលើលីចូមនីអូបេតខ្សែភាពយន្តស្តើងនៅក្នុងធម្មជាតិ ដោយសារតែបច្ចេកវិទ្យានេះមានគុណសម្បត្តិនៃការរួមបញ្ចូលខ្ពស់ កម្រិតបញ្ជូនម៉ូឌុលអេឡិចត្រូអុបទិកធំ និងលីនេអ៊ែរខ្ពស់នៃឥទ្ធិពលអេឡិចត្រូអុបទិក នៅពេលដែលបានដាក់ឱ្យដំណើរការ វាបានបង្កឱ្យមានការចាប់អារម្មណ៍ខាងសិក្សា និងឧស្សាហកម្មភ្លាមៗនៅក្នុងវិស័យសមាហរណកម្មហ្វូតុង និងហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ។ ពីទស្សនៈនៃការអនុវត្តហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ ឯកសារនេះពិនិត្យឡើងវិញអំពីឥទ្ធិពល និងសារៈសំខាន់នៃបច្ចេកវិទ្យាសមាហរណកម្មហ្វូតុងដែលផ្អែកលើលីចូមនីអូបេតខ្សែភាពយន្តស្តើងលើការអភិវឌ្ឍបច្ចេកវិទ្យាហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ។

សម្ភារៈលីចូមនីអូបេតស្តើង និងខ្សែភាពយន្តស្តើងឧបករណ៍កែប្រែលីចូមនីអូបេត
ក្នុងរយៈពេលពីរឆ្នាំថ្មីៗនេះ សម្ភារៈលីចូមនីអូបេតប្រភេទថ្មីមួយបានលេចចេញឡើង ពោលគឺខ្សែភាពយន្តលីចូមនីអូបេតត្រូវបានបកចេញពីគ្រីស្តាល់លីចូមនីអូបេតដ៏ធំដោយវិធីសាស្ត្រ "ការកាត់អ៊ីយ៉ុង" ហើយភ្ជាប់ទៅនឹងបន្ទះ Si ជាមួយនឹងស្រទាប់ទ្រនាប់ស៊ីលីកាដើម្បីបង្កើតជាសម្ភារៈ LNOI (LiNbO3-On-Insulator) [5] ដែលត្រូវបានគេហៅថាសម្ភារៈលីចូមនីអូបេតខ្សែភាពយន្តស្តើងនៅក្នុងឯកសារនេះ។ រលកមគ្គុទ្ទេសក៍ជួរដែលមានកម្ពស់លើសពី 100 ណាណូម៉ែត្រអាចត្រូវបានឆ្លាក់លើសម្ភារៈលីចូមនីអូបេតខ្សែភាពយន្តស្តើងដោយដំណើរការឆ្លាក់ស្ងួតដែលប្រសើរឡើង ហើយភាពខុសគ្នានៃសន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរដែលមានប្រសិទ្ធភាពនៃរលកមគ្គុទ្ទេសក៍ដែលបង្កើតឡើងអាចឈានដល់ច្រើនជាង 0.8 (ខ្ពស់ជាងភាពខុសគ្នានៃសន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរនៃរលកមគ្គុទ្ទេសក៍លីចូមនីអូបេតប្រពៃណី 0.02) ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 1។ រលកមគ្គុទ្ទេសក៍ដែលមានកម្រិតខ្លាំងធ្វើឱ្យវាកាន់តែងាយស្រួលក្នុងការផ្គូផ្គងវាលពន្លឺជាមួយនឹងវាលមីក្រូវ៉េវនៅពេលរចនាឧបករណ៍កែប្រែ។ ដូច្នេះវាមានប្រយោជន៍ក្នុងការសម្រេចបាននូវវ៉ុលពាក់កណ្តាលរលកទាប និងកម្រិតបញ្ជូនម៉ូឌុលធំជាងក្នុងប្រវែងខ្លីជាង។

ការលេចចេញនូវរលកណែនាំអនុមីក្រូនលីចូមនីអូបេតដែលបាត់បង់ទាបបានបំបែកចំណុចកកស្ទះនៃវ៉ុលបើកបរខ្ពស់នៃម៉ូឌុលអេឡិចត្រូអុបទិកលីចូមនីអូបេតប្រពៃណី។ ចន្លោះអេឡិចត្រូតអាចត្រូវបានកាត់បន្ថយមកត្រឹម ~ 5 μm ហើយការត្រួតស៊ីគ្នារវាងដែនអគ្គិសនី និងដែនរបៀបអុបទិកត្រូវបានកើនឡើងយ៉ាងខ្លាំង ហើយ vπ ·L ថយចុះពីច្រើនជាង 20 V·cm ដល់តិចជាង 2.8 V·cm។ ដូច្នេះ ក្រោមវ៉ុលពាក់កណ្តាលរលកដូចគ្នា ប្រវែងនៃឧបករណ៍អាចត្រូវបានកាត់បន្ថយយ៉ាងខ្លាំងបើប្រៀបធៀបទៅនឹងម៉ូឌុលប្រពៃណី។ ក្នុងពេលជាមួយគ្នានេះ បន្ទាប់ពីធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងនូវប៉ារ៉ាម៉ែត្រនៃទទឹង កម្រាស់ និងចន្លោះពេលនៃអេឡិចត្រូតរលកធ្វើដំណើរ ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាព ម៉ូឌុលអាចមានសមត្ថភាពនៃកម្រិតបញ្ជូនម៉ូឌុលខ្ពស់ជាង 100 GHz។

រូបភាពទី 1 (ក) ការចែកចាយរបៀបគណនា និង (ខ) រូបភាពនៃផ្នែកឆ្លងកាត់នៃរលកមគ្គុទ្ទេសក៍ LN

រូបភាពទី 2 (ក) រចនាសម្ព័ន្ធរលកនាំផ្លូវ និងអេឡិចត្រូត និង (ខ) បន្ទះស្នូលនៃម៉ូឌុល LN

ការប្រៀបធៀបឧបករណ៍កែប្រែលីចូមនីអូបេតខ្សែភាពយន្តស្តើងជាមួយនឹងឧបករណ៍កែប្រែពាណិជ្ជកម្មលីចូមនីអូបេតប្រពៃណី ឧបករណ៍កែប្រែដែលមានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន និងឧបករណ៍កែប្រែអ៊ីដ្យូមផូស្វ័រ (InP) និងឧបករណ៍កែប្រែអេឡិចត្រូអុបទិកល្បឿនលឿនដែលមានស្រាប់ផ្សេងទៀត ប៉ារ៉ាម៉ែត្រសំខាន់ៗនៃការប្រៀបធៀបរួមមាន៖
(1) ផលិតផល​ប្រវែង​វ៉ុល​ពាក់​កណ្តាល​រលក (vπ ·L, V·cm) ដែល​វាស់​ស្ទង់​ប្រសិទ្ធភាព​ម៉ូឌុល​នៃ​ម៉ូឌុល តម្លៃ​កាន់តែ​តូច ប្រសិទ្ធភាព​ម៉ូឌុល​កាន់តែ​ខ្ពស់;
(2) កម្រិតបញ្ជូនម៉ូឌុល 3 dB (GHz) ដែលវាស់ស្ទង់ការឆ្លើយតបរបស់ម៉ូឌុលទៅនឹងម៉ូឌុលប្រេកង់ខ្ពស់;
(3) ការបាត់បង់ការបញ្ចូលអុបទិក (dB) នៅក្នុងតំបន់ម៉ូឌុល។ យើងអាចមើលឃើញពីតារាងថា ឧបករណ៍ម៉ូឌុលលីចូមនីអូបេតខ្សែភាពយន្តស្តើងមានគុណសម្បត្តិជាក់ស្តែងនៅក្នុងកម្រិតបញ្ជូនម៉ូឌុល វ៉ុលពាក់កណ្តាលរលក ការបាត់បង់អន្តរប៉ូឡាស្យុងអុបទិក និងអ្វីៗផ្សេងទៀត។

ស៊ីលីកុន ដែលជាមូលដ្ឋានគ្រឹះនៃអុបតូអេឡិចត្រូនិចរួមបញ្ចូលគ្នា ត្រូវបានបង្កើតឡើងរហូតមកដល់ពេលនេះ ដំណើរការនេះមានភាពចាស់ទុំ ការបង្រួមទំហំរបស់វាអំណោយផលដល់ការរួមបញ្ចូលទ្រង់ទ្រាយធំនៃឧបករណ៍សកម្ម/អកម្ម ហើយឧបករណ៍កែប្រែរបស់វាត្រូវបានសិក្សាយ៉ាងទូលំទូលាយ និងស៊ីជម្រៅនៅក្នុងវិស័យទំនាក់ទំនងអុបទិក។ យន្តការកែប្រែអេឡិចត្រូអុបទិករបស់ស៊ីលីកុនភាគច្រើនគឺការថយចុះនៃនាវាផ្ទុក ការចាក់នាវាផ្ទុក និងការប្រមូលផ្តុំនាវាផ្ទុក។ ក្នុងចំណោមនោះ កម្រិតបញ្ជូនរបស់ឧបករណ៍កែប្រែគឺល្អបំផុតជាមួយនឹងយន្តការបន្ថយនាវាផ្ទុកដឺក្រេលីនេអ៊ែរ ប៉ុន្តែដោយសារតែការចែកចាយវាលអុបទិកត្រួតស៊ីគ្នាជាមួយនឹងភាពមិនស្មើគ្នានៃតំបន់ថយចុះ ឥទ្ធិពលនេះនឹងនាំមកនូវលក្ខខណ្ឌបង្ខូចទ្រង់ទ្រាយលំដាប់ទីពីរមិនមែនលីនេអ៊ែរ និងការបង្ខូចទ្រង់ទ្រាយអន្តរម៉ូឌុលលំដាប់ទីបី រួមផ្សំជាមួយនឹងឥទ្ធិពលស្រូបយករបស់នាវាផ្ទុកលើពន្លឺ ដែលនឹងនាំឱ្យមានការថយចុះនៃទំហំកែប្រែអុបទិក និងការបង្ខូចទ្រង់ទ្រាយសញ្ញា។

ឧបករណ៍កែប្រែ InP មានឥទ្ធិពលអេឡិចត្រូអុបទិកដ៏លេចធ្លោ ហើយរចនាសម្ព័ន្ធអណ្តូងកង់ទិចច្រើនស្រទាប់អាចសម្រេចបាននូវឧបករណ៍កែប្រែអត្រាខ្ពស់ខ្លាំង និងវ៉ុលបើកបរទាបជាមួយ Vπ·L រហូតដល់ 0.156V · mm។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ការប្រែប្រួលនៃសន្ទស្សន៍ចំណាំងបែរជាមួយដែនអគ្គិសនីរួមមានលក្ខខណ្ឌលីនេអ៊ែរ និងមិនមែនលីនេអ៊ែរ ហើយការកើនឡើងនៃអាំងតង់ស៊ីតេដែនអគ្គិសនីនឹងធ្វើឱ្យឥទ្ធិពលលំដាប់ទីពីរលេចធ្លោ។ ដូច្នេះ ឧបករណ៍កែប្រែអេឡិចត្រូអុបទិកស៊ីលីកុន និង InP ត្រូវអនុវត្តលំអៀងដើម្បីបង្កើតជាចំណុចប្រសព្វ pn នៅពេលដែលពួកវាដំណើរការ ហើយចំណុចប្រសព្វ pn នឹងនាំមកនូវការបាត់បង់ការស្រូបយកពន្លឺ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ទំហំឧបករណ៍កែប្រែនៃទាំងពីរនេះគឺតូច ទំហំឧបករណ៍កែប្រែ InP ពាណិជ្ជកម្មគឺ 1/4 នៃឧបករណ៍កែប្រែ LN។ ប្រសិទ្ធភាពម៉ូឌុលខ្ពស់ សមរម្យសម្រាប់បណ្តាញបញ្ជូនអុបទិកឌីជីថលដង់ស៊ីតេខ្ពស់ និងចម្ងាយខ្លីដូចជាមជ្ឈមណ្ឌលទិន្នន័យ។ ឥទ្ធិពលអេឡិចត្រូអុបទិកនៃលីចូមនីអូបេតមិនមានយន្តការស្រូបយកពន្លឺ និងការបាត់បង់ទាប ដែលសមរម្យសម្រាប់ការភ្ជាប់គ្នាចម្ងាយឆ្ងាយ។ការទំនាក់ទំនងអុបទិកជាមួយនឹងសមត្ថភាពធំ និងអត្រាខ្ពស់។ នៅក្នុងការអនុវត្តហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ មេគុណអេឡិចត្រូអុបទិកនៃ Si និង InP គឺមិនមែនលីនេអ៊ែរ ដែលមិនស័ក្តិសមសម្រាប់ប្រព័ន្ធហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវដែលបន្តលីនេអ៊ែរខ្ពស់ និងឌីណាមិកធំ។ សម្ភារៈលីចូមនីអូបេតគឺស័ក្តិសមណាស់សម្រាប់ការអនុវត្តហ្វូតុងមីក្រូវ៉េវ ដោយសារតែមេគុណម៉ូឌុលអេឡិចត្រូអុបទិកលីនេអ៊ែរទាំងស្រុងរបស់វា។