Το υλικό λεπτής μεμβράνης τανταλικού λιθίου (LTOI) αναδεικνύεται ως μια σημαντική νέα δύναμη στον τομέα της ολοκληρωμένης οπτικής. Φέτος, έχουν δημοσιευτεί αρκετές εργασίες υψηλού επιπέδου σχετικά με τους διαμορφωτές LTOI, με υψηλής ποιότητας πλακίδια LTOI που παρέχονται από τον καθηγητή Xin Ou από το Ινστιτούτο Μικροσυστημάτων και Τεχνολογίας Πληροφοριών της Σαγκάης, και υψηλής ποιότητας διαδικασίες χάραξης κυματοδηγού που αναπτύχθηκαν από την ομάδα του καθηγητή Kippenberg στο EPFL της Ελβετίας. Οι συνεργατικές τους προσπάθειες έχουν επιδείξει εντυπωσιακά αποτελέσματα. Επιπλέον, ερευνητικές ομάδες από το Πανεπιστήμιο Zhejiang με επικεφαλής τον καθηγητή Liu Liu και το Πανεπιστήμιο Harvard με επικεφαλής τον καθηγητή Loncar έχουν επίσης αναφέρει διαμορφωτές LTOI υψηλής ταχύτητας και υψηλής σταθερότητας.
Ως στενός συγγενής του νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης (LNOI), το LTOI διατηρεί τα χαρακτηριστικά υψηλής ταχύτητας διαμόρφωσης και χαμηλών απωλειών του νιοβικού λιθίου, προσφέροντας παράλληλα πλεονεκτήματα όπως χαμηλό κόστος, χαμηλή διπλοδιάθλαση και μειωμένα φαινόμενα φωτοδιάθλασης. Παρακάτω παρουσιάζεται μια σύγκριση των κύριων χαρακτηριστικών των δύο υλικών.
◆ Ομοιότητες μεταξύ Τανταλικού Λιθίου (LTOI) και Νιοβικού Λιθίου (LNOI)
①Δείκτης διάθλασης:2.12 έναντι 2.21
Αυτό υποδηλώνει ότι οι διαστάσεις του μονοτροπικού κυματοδηγού, η ακτίνα κάμψης και τα κοινά μεγέθη παθητικών συσκευών που βασίζονται και στα δύο υλικά είναι πολύ παρόμοια και η απόδοση σύζευξης ινών τους είναι επίσης συγκρίσιμη. Με καλή χάραξη κυματοδηγού, και τα δύο υλικά μπορούν να επιτύχουν απώλεια εισαγωγής<0,1 dB/cm. Το EPFL αναφέρει απώλεια κυματοδηγού 5,6 dB/m.
②Ηλεκτροοπτικός συντελεστής:30,5 μ.μ./V έναντι 30,9 μ.μ./V
Η απόδοση διαμόρφωσης είναι συγκρίσιμη και για τα δύο υλικά, με τη διαμόρφωση να βασίζεται στο φαινόμενο Pockels, επιτρέποντας υψηλό εύρος ζώνης. Προς το παρόν, οι διαμορφωτές LTOI είναι ικανοί να επιτύχουν απόδοση 400G ανά λωρίδα, με εύρος ζώνης που υπερβαίνει τα 110 GHz.
③Ζωνικό χάσμα:3,93 eV έναντι 3,78 eV
Και τα δύο υλικά έχουν ένα ευρύ διαφανές παράθυρο, υποστηρίζοντας εφαρμογές από ορατά έως υπέρυθρα μήκη κύματος, χωρίς απορρόφηση στις ζώνες επικοινωνίας.
④Μη γραμμικός συντελεστής δεύτερης τάξης (d33):21 μ.μ./Π έναντι 27 μ.μ./Π
Εάν χρησιμοποιηθεί για μη γραμμικές εφαρμογές όπως η παραγωγή δεύτερης αρμονικής (SHG), η παραγωγή διαφοράς συχνότητας (DFG) ή η παραγωγή αθροίσματος συχνότητας (SFG), οι αποδόσεις μετατροπής των δύο υλικών θα πρέπει να είναι αρκετά παρόμοιες.
◆ Πλεονέκτημα κόστους LTOI έναντι LNOI
①Χαμηλότερο κόστος προετοιμασίας πλακιδίων
Το LNOI απαιτεί εμφύτευση ιόντων He για τον διαχωρισμό των στρώσεων, κάτι που έχει χαμηλή απόδοση ιονισμού. Αντίθετα, το LTOI χρησιμοποιεί εμφύτευση ιόντων H για τον διαχωρισμό, παρόμοιο με το SOI, με απόδοση αποκόλλησης πάνω από 10 φορές υψηλότερη από το LNOI. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σημαντική διαφορά τιμής για πλακίδια 6 ιντσών: 300 $ έναντι 2000 $, μείωση κόστους 85%.
②Χρησιμοποιείται ήδη ευρέως στην αγορά ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης για ακουστικά φίλτρα.(750.000 μονάδες ετησίως, που χρησιμοποιούνται από τις Samsung, Apple, Sony, κ.λπ.).
◆ Πλεονεκτήματα απόδοσης LTOI έναντι LNOI
①Λιγότερα ελαττώματα υλικού, ασθενέστερο φωτοδιαθλαστικό φαινόμενο, μεγαλύτερη σταθερότητα
Αρχικά, οι διαμορφωτές LNOI συχνά εμφάνιζαν μετατόπιση σημείου πόλωσης, κυρίως λόγω συσσώρευσης φορτίου που προκαλείται από ελαττώματα στη διεπαφή κυματοδηγού. Εάν δεν αντιμετωπιστούν, αυτές οι συσκευές μπορεί να χρειαστούν έως και μία ημέρα για να σταθεροποιηθούν. Ωστόσο, αναπτύχθηκαν διάφορες μέθοδοι για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, όπως η χρήση επένδυσης μεταλλικού οξειδίου, η πόλωση υποστρώματος και η ανόπτηση, καθιστώντας το πρόβλημα σε μεγάλο βαθμό διαχειρίσιμο πλέον.
Αντίθετα, το LTOI έχει λιγότερα ελαττώματα υλικού, με αποτέλεσμα σημαντικά μειωμένα φαινόμενα μετατόπισης. Ακόμα και χωρίς πρόσθετη επεξεργασία, το σημείο λειτουργίας του παραμένει σχετικά σταθερό. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν αναφερθεί από το EPFL, το Harvard και το Πανεπιστήμιο Zhejiang. Ωστόσο, η σύγκριση συχνά χρησιμοποιεί μη επεξεργασμένους διαμορφωτές LNOI, κάτι που μπορεί να μην είναι απολύτως δίκαιο. Με την επεξεργασία, η απόδοση και των δύο υλικών είναι πιθανώς παρόμοια. Η κύρια διαφορά έγκειται στο ότι το LTOI απαιτεί λιγότερα πρόσθετα βήματα επεξεργασίας.
②Χαμηλότερη Διπλάθλαση: 0,004 έναντι 0,07
Η υψηλή διπλοθλαστικότητα του νιοβικού λιθίου (LNOI) μπορεί να είναι δύσκολη κατά καιρούς, ειδικά καθώς οι καμπύλες του κυματοδηγού μπορούν να προκαλέσουν σύζευξη τρόπων λειτουργίας και υβριδισμό τρόπων λειτουργίας. Στο λεπτό LNOI, μια καμπύλη στον κυματοδηγό μπορεί να μετατρέψει εν μέρει το φως TE σε φως TM, περιπλέκοντας την κατασκευή ορισμένων παθητικών συσκευών, όπως τα φίλτρα.
Με το LTOI, η χαμηλότερη διπλοθλαστικότητα εξαλείφει αυτό το πρόβλημα, διευκολύνοντας ενδεχομένως την ανάπτυξη παθητικών συσκευών υψηλής απόδοσης. Η EPFL έχει επίσης αναφέρει αξιοσημείωτα αποτελέσματα, αξιοποιώντας τη χαμηλή διπλοθλαστικότητα του LTOI και την απουσία διασταύρωσης τρόπου λειτουργίας για να επιτύχει παραγωγή χτένας ηλεκτροοπτικής συχνότητας εξαιρετικά ευρέος φάσματος με επίπεδο έλεγχο διασποράς σε ένα ευρύ φασματικό εύρος. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ένα εντυπωσιακό εύρος ζώνης χτένας 450 nm με πάνω από 2000 γραμμές χτένας, αρκετές φορές μεγαλύτερο από αυτό που μπορεί να επιτευχθεί με το νιοβικό λίθιο. Σε σύγκριση με τις χτένες οπτικής συχνότητας Kerr, οι ηλεκτροοπτικές χτένες προσφέρουν το πλεονέκτημα ότι είναι χωρίς κατώφλι και πιο σταθερές, αν και απαιτούν είσοδο μικροκυμάτων υψηλής ισχύος.
③Υψηλότερο όριο οπτικής βλάβης
Το όριο οπτικής βλάβης του LTOI είναι διπλάσιο από αυτό του LNOI, προσφέροντας ένα πλεονέκτημα σε μη γραμμικές εφαρμογές (και ενδεχομένως σε μελλοντικές εφαρμογές Coherent Perfect Absorption (CPO)). Τα τρέχοντα επίπεδα ισχύος της οπτικής μονάδας είναι απίθανο να προκαλέσουν ζημιά στο νιοβικό λίθιο.
④Χαμηλό φαινόμενο Raman
Αυτό ισχύει και για μη γραμμικές εφαρμογές. Το νιοβικό λίθιο έχει ισχυρό φαινόμενο Raman, το οποίο στις εφαρμογές οπτικής χτένας συχνότητας Kerr μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη παραγωγή φωτός Raman και σε ανταγωνισμό κέρδους, εμποδίζοντας τις οπτικές χτένες συχνότητας νιοβικού λιθίου κοπής x να φτάσουν στην κατάσταση σολιτονίου. Με το LTOI, το φαινόμενο Raman μπορεί να κατασταλεί μέσω σχεδιασμού προσανατολισμού κρυστάλλου, επιτρέποντας στο LTOI κοπής x να επιτύχει παραγωγή οπτικής χτένας συχνότητας σολιτονίου. Αυτό επιτρέπει τη μονολιθική ενσωμάτωση οπτικών χτένων συχνότητας σολιτονίου με διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας, ένα επίτευγμα που δεν είναι εφικτό με το LNOI.
◆ Γιατί δεν αναφέρθηκε νωρίτερα το τανταλικό λίθιο λεπτής μεμβράνης (LTOI);
Το τανταλικό λίθιο έχει χαμηλότερη θερμοκρασία Κιρί από το νιοβικό λίθιο (610°C έναντι 1157°C). Πριν από την ανάπτυξη της τεχνολογίας ετεροενσωμάτωσης (XOI), οι διαμορφωτές νιοβικού λιθίου κατασκευάζονταν χρησιμοποιώντας διάχυση τιτανίου, η οποία απαιτεί ανόπτηση σε πάνω από 1000°C, καθιστώντας την LTOI ακατάλληλη. Ωστόσο, με τη σημερινή στροφή προς τη χρήση υποστρωμάτων μονωτήρων και χάραξης κυματοδηγού για τον σχηματισμό διαμορφωτή, η θερμοκρασία Κιρί των 610°C είναι υπεραρκετή.
◆ Θα αντικαταστήσει το λεπτό τανταλικό λίθιο (LTOI) το λεπτό νιοβικό λίθιο (TFLN);
Με βάση την τρέχουσα έρευνα, το LTOI προσφέρει πλεονεκτήματα στην παθητική απόδοση, τη σταθερότητα και το κόστος παραγωγής μεγάλης κλίμακας, χωρίς εμφανή μειονεκτήματα. Ωστόσο, το LTOI δεν ξεπερνά το νιοβικό λίθιο στην απόδοση διαμόρφωσης και τα ζητήματα σταθερότητας με το LNOI έχουν γνωστές λύσεις. Για τις μονάδες DR επικοινωνίας, υπάρχει ελάχιστη ζήτηση για παθητικά εξαρτήματα (και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί νιτρίδιο του πυριτίου εάν χρειαστεί). Επιπλέον, απαιτούνται νέες επενδύσεις για την επαναφορά των διαδικασιών χάραξης σε επίπεδο πλακιδίων, των τεχνικών ετεροενσωμάτωσης και των δοκιμών αξιοπιστίας (η δυσκολία με τη χάραξη με νιοβικό λίθιο δεν ήταν ο κυματοδηγός αλλά η επίτευξη χάραξης σε επίπεδο πλακιδίων υψηλής απόδοσης). Επομένως, για να ανταγωνιστεί την καθιερωμένη θέση του νιοβικού λιθίου, το LTOI μπορεί να χρειαστεί να αποκαλύψει περαιτέρω πλεονεκτήματα. Ακαδημαϊκά, ωστόσο, το LTOI προσφέρει σημαντικό ερευνητικό δυναμικό για ολοκληρωμένα συστήματα on-chip, όπως ηλεκτροοπτικές χτένες που εκτείνονται σε οκτάβα, PPLT, συσκευές διαίρεσης μήκους κύματος soliton και AWG και διαμορφωτές συστοιχιών.
Ώρα δημοσίευσης: 08 Νοεμβρίου 2024