Το υλικό τανταλικού λιθίου λεπτής μεμβράνης (LTOI) αναδύεται ως μια σημαντική νέα δύναμη στον τομέα της ολοκληρωμένης οπτικής. Φέτος, έχουν δημοσιευθεί αρκετές εργασίες υψηλού επιπέδου για διαμορφωτές LTOI, με υψηλής ποιότητας γκοφρέτες LTOI που παρέχονται από τον καθηγητή Xin Ou από το Ινστιτούτο Μικροσυστημάτων και Τεχνολογίας Πληροφορικής της Σαγκάης και υψηλής ποιότητας διαδικασίες χάραξης κυματοδηγών που αναπτύχθηκαν από την ομάδα του καθηγητή Kippenberg στο EPFL , Ελβετία. Οι συλλογικές τους προσπάθειες έχουν επιδείξει εντυπωσιακά αποτελέσματα. Επιπλέον, ερευνητικές ομάδες από το Πανεπιστήμιο Zhejiang με επικεφαλής τον καθηγητή Liu Liu και το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ με επικεφαλής τον καθηγητή Loncar έχουν επίσης αναφέρει σχετικά με διαμορφωτές LTOI υψηλής ταχύτητας και σταθερότητας.
Ως στενός συγγενής του νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης (LNOI), το LTOI διατηρεί τα χαρακτηριστικά διαμόρφωσης υψηλής ταχύτητας και χαμηλής απώλειας του νιοβικού λιθίου, ενώ προσφέρει επίσης πλεονεκτήματα όπως χαμηλό κόστος, χαμηλή διπλή διάθλαση και μειωμένα φωτοδιαθλαστικά αποτελέσματα. Μια σύγκριση των κύριων χαρακτηριστικών των δύο υλικών παρουσιάζεται παρακάτω.
◆ Ομοιότητες μεταξύ τανταλικού λιθίου (LTOI) και νιοβικού λιθίου (LNOI)
①Δείκτης διάθλασης:2,12 έναντι 2,21
Αυτό σημαίνει ότι οι διαστάσεις του κυματοδηγού μονής λειτουργίας, η ακτίνα κάμψης και τα κοινά μεγέθη παθητικής συσκευής 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./Β
Η απόδοση διαμόρφωσης είναι συγκρίσιμη και για τα δύο υλικά, με τη διαμόρφωση που βασίζεται στο φαινόμενο Pockels, επιτρέποντας υψηλό εύρος ζώνης. Επί του παρόντος, οι διαμορφωτές LTOI είναι ικανοί να επιτύχουν απόδοση 400 G ανά λωρίδα, με εύρος ζώνης που υπερβαίνει τα 110 GHz.
③Bandgap:3,93 eV έναντι 3,78 eV
Και τα δύο υλικά έχουν ένα ευρύ διαφανές παράθυρο, που υποστηρίζει εφαρμογές από ορατά έως υπέρυθρα μήκη κύματος, χωρίς απορρόφηση στις ζώνες επικοινωνίας.
④Μη γραμμικός συντελεστής δεύτερης τάξης (d33):21 μ.μ./V έναντι 27 μ.μ./V
Εάν χρησιμοποιείται για μη γραμμικές εφαρμογές όπως η δεύτερη αρμονική παραγωγή (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 του LTOI έναντι του LNOI
①Χαμηλότερο κόστος προετοιμασίας γκοφρέτας
Το LNOI απαιτεί εμφύτευση ιόντων He για το διαχωρισμό του στρώματος, το οποίο έχει χαμηλή απόδοση ιονισμού. Αντίθετα, το LTOI χρησιμοποιεί εμφύτευση ιόντων Η για διαχωρισμό, παρόμοια με το SOI, με απόδοση αποκόλλησης πάνω από 10 φορές υψηλότερη από το LNOI. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σημαντική διαφορά τιμής για γκοφρέτες 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 Samsung, Apple, Sony κ.λπ.).
◆ Πλεονεκτήματα απόδοσης του LTOI έναντι του LNOI
①Λιγότερα ελαττώματα υλικού, ασθενέστερο φωτοδιαθλαστικό αποτέλεσμα, περισσότερη σταθερότητα
Αρχικά, οι διαμορφωτές LNOI εμφάνιζαν συχνά μετατόπιση σημείου πόλωσης, κυρίως λόγω συσσώρευσης φορτίου που προκαλείται από ελαττώματα στη διεπαφή του 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 του υποστρώματος και η ανόπτηση, καθιστώντας αυτό το πρόβλημα σε μεγάλο βαθμό πλέον διαχειρίσιμο.
Αντίθετα, το LTOI έχει λιγότερα ελαττώματα υλικού, οδηγώντας σε σημαντικά μειωμένα φαινόμενα μετατόπισης. Ακόμη 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 χρησιμοποιεί συχνά μη επεξεργασμένους διαμορφωτές LNOI, κάτι που μπορεί να μην είναι εντελώς δίκαιο. με την επεξεργασία, η απόδοση και των δύο υλικών είναι πιθανώς παρόμοια. Η κύρια διαφορά έγκειται στο LTOI που απαιτεί λιγότερα πρόσθετα βήματα επεξεργασίας.
②Χαμηλότερη διπλή διάθλαση: 0,004 έναντι 0,07
Η υψηλή διπλή διάθλαση του νιοβικού λιθίου (LNOI) μπορεί να είναι προκλητική κατά καιρούς, ειδικά καθώς οι κάμψεις των κυματοδηγών μπορούν να προκαλέσουν σύζευξη τρόπου λειτουργίας και υβριδισμό τρόπου λειτουργίας. Σε λεπτό LNOI, μια κάμψη 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 διπλή διάθλαση εξαλείφει αυτό το ζήτημα, καθιστώντας ενδεχομένως ευκολότερη την ανάπτυξη παθητικών συσκευών υψηλής απόδοσης. Το EPFL έχει επίσης αναφέρει αξιοσημείωτα αποτελέσματα, αξιοποιώντας τη χαμηλή διπλή διάθλαση του LTOI και την απουσία διασταύρωσης τρόπου λειτουργίας για να επιτύχει παραγωγή ηλεκτροοπτικής συχνότητας εξαιρετικά ευρέος φάσματος με επίπεδο έλεγχο διασποράς σε ένα ευρύ φάσμα φάσματος. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ένα εντυπωσιακό εύρος ζώνης 450 nm με περισσότερες από 2000 γραμμές χτενίσματος, 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 δεν έχουν κατώφλι και είναι 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 πλεονέκτημα σε μη γραμμικές εφαρμογές (και πιθανώς μελλοντικές εφαρμογές Συνεκτικής Τέλειας Απορρόφησης (CPO)). Τα τρέχοντα επίπεδα ισχύος της οπτικής μονάδας είναι απίθανο να βλάψουν το νιοβικό λίθιο.
④Low Raman Effect
Αυτό αφορά και τις μη γραμμικές εφαρμογές. Το νιοβικό λίθιο έχει ισχυρό φαινόμενο Raman, το οποίο στις εφαρμογές χτένας οπτικής συχνότητας Kerr μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη παραγωγή φωτός Raman και να κερδίσει ανταγωνισμό, εμποδίζοντας τις χτένες οπτικής συχνότητας νιοβικού λιθίου x-cut να φτάσουν στην κατάσταση σολιτονίου. Με το LTOI, το φαινόμενο Raman μπορεί να κατασταλεί μέσω του σχεδιασμού προσανατολισμού κρυστάλλου, επιτρέποντας στο LTOI με κοπή x να επιτύχει τη δημιουργία χτένας οπτικής συχνότητας σολίτον. Αυτό επιτρέπει τη μονολιθική ενσωμάτωση χτενών οπτικής συχνότητας soliton με διαμορφωτές υψηλής ταχύτητας, ένα κατόρθωμα που δεν μπορεί να επιτευχθεί με το LNOI.
◆ Γιατί δεν αναφέρθηκε νωρίτερα το τανταλικό λίθιο λεπτής μεμβράνης (LTOI);
Το τανταλικό λίθιο έχει χαμηλότερη θερμοκρασία Curie από το νιοβικό λίθιο (610°C έναντι 1157°C). Πριν από την ανάπτυξη της τεχνολογίας ετεροολοκλήρωσης (XOI), οι διαμορφωτές νιοβικού λιθίου κατασκευάζονταν με τη χρήση διάχυσης τιτανίου, η οποία απαιτεί ανόπτηση σε πάνω από 1000°C, καθιστώντας το LTOI ακατάλληλο. Ωστόσο, με τη σημερινή στροφή προς τη χρήση υποστρωμάτων μονωτή και χάραξης κυματοδηγών για το σχηματισμό διαμορφωτή, μια θερμοκρασία Curie 610°C είναι περισσότερο από επαρκής.
◆ Θα αντικαταστήσει το Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) το Thin-Film Lithium Niobate (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 νιτρίδιο πυριτίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί εάν χρειαστεί). Επιπλέον, απαιτούνται νέες επενδύσεις για την αποκατάσταση των διαδικασιών χάραξης σε επίπεδο πλακιδίων, των τεχνικών ετεροενσωμάτωσης και των δοκιμών αξιοπιστίας (η δυσκολία με τη χάραξη νιοβικού λιθίου 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, συσκευές διαίρεσης μήκους κύματος PPLT, Soliton και AWG και διαμορφωτές συστοιχίας.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-08-2024