ماده‌ی لایه نازک لیتیوم تانتالات (LTOI) به عنوان یک نیروی جدید و قابل توجه در حوزه‌ی اپتیک مجتمع در حال ظهور است. امسال، چندین کار سطح بالا در مورد مدولاتورهای LTOI منتشر شده است، از جمله ویفرهای LTOI با کیفیت بالا که توسط پروفسور شین او از موسسه‌ی میکروسیستم و فناوری اطلاعات شانگهای تهیه شده‌اند و فرآیندهای حکاکی موجبر با کیفیت بالا که توسط گروه پروفسور کیپنبرگ در EPFL سوئیس توسعه یافته‌اند. تلاش‌های مشترک آنها نتایج چشمگیری را به نمایش گذاشته است. علاوه بر این، تیم‌های تحقیقاتی از دانشگاه ژجیانگ به رهبری پروفسور لیو لیو و دانشگاه هاروارد به رهبری پروفسور لونکار نیز در مورد مدولاتورهای LTOI با سرعت و پایداری بالا گزارش داده‌اند.
به عنوان یکی از خویشاوندان نزدیک لیتیوم نیوبات لایه نازک (LNOI)، LTOI ویژگی‌های مدولاسیون پرسرعت و اتلاف کم لیتیوم نیوبات را حفظ می‌کند و در عین حال مزایایی مانند هزینه کم، دوشکستی کم و اثرات فوتورفراکتیو کاهش‌یافته را نیز ارائه می‌دهد. مقایسه‌ای از ویژگی‌های اصلی این دو ماده در زیر ارائه شده است.
◆ شباهت‌های بین لیتیوم تانتالات (LTOI) و لیتیوم نیوبات (LNOI)
۱. (۱)ضریب شکست:۲.۱۲ در مقابل ۲.۲۱
این نشان می‌دهد که ابعاد موجبر تک حالته، شعاع خمش و اندازه‌های معمول قطعات غیرفعال بر اساس هر دو ماده بسیار مشابه هستند و عملکرد کوپلینگ فیبر آنها نیز قابل مقایسه است. با حکاکی خوب موجبر، هر دو ماده می‌توانند به تلفات درج ≥ دست یابند.<0.1 dB/cm. EPFL تلفات موجبر را 5.6 dB/m گزارش می‌دهد.
②ضریب الکترواپتیکی:۳۰.۵ بعد از ظهر در مقابل ۳۰.۹ بعد از ظهر در هر شب
راندمان مدولاسیون برای هر دو ماده قابل مقایسه است، مدولاسیون مبتنی بر اثر پاکلز، پهنای باند بالایی را فراهم می‌کند. در حال حاضر، مدولاتورهای LTOI قادر به دستیابی به عملکرد 400 گیگابیت در هر خط با پهنای باند بیش از 110 گیگاهرتز هستند.
۳. (۳)باندگپ:۳.۹۳ eV در مقابل ۳.۷۸ eV
هر دو ماده دارای یک پنجره شفاف عریض هستند که از کاربردهایی از طول موج‌های مرئی تا مادون قرمز پشتیبانی می‌کند و هیچ جذبی در باندهای ارتباطی ندارند.
④ضریب غیرخطی مرتبه دوم (d33):۲۱ شب/پنجشنبه در مقابل ۲۷ شب/پنجشنبه
اگر برای کاربردهای غیرخطی مانند تولید هارمونیک دوم (SHG)، تولید فرکانس تفاضلی (DFG) یا تولید فرکانس مجموع (SFG) استفاده شود، راندمان تبدیل دو ماده باید کاملاً مشابه باشد.
◆ مزیت هزینه‌ای LTOI در مقایسه با LNOI
۱. (۱)هزینه آماده‌سازی ویفر کمتر
LNOI برای جداسازی لایه‌ها به کاشت یون He نیاز دارد که راندمان یونیزاسیون پایینی دارد. در مقابل، LTOI از کاشت یون H برای جداسازی استفاده می‌کند، مشابه SOI، با راندمان لایه‌لایه شدن بیش از 10 برابر بیشتر از LNOI. این امر منجر به تفاوت قیمت قابل توجهی برای ویفرهای 6 اینچی می‌شود: 300 دلار در مقابل 2000 دلار، که 85٪ کاهش هزینه را نشان می‌دهد.
②این ماده در حال حاضر به طور گسترده در بازار لوازم الکترونیکی مصرفی برای فیلترهای آکوستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد.(سالانه ۷۵۰،۰۰۰ واحد، مورد استفاده سامسونگ، اپل، سونی و غیره).
◆ مزایای عملکرد LTOI در مقابل LNOI
۱. (۱)نقص‌های کمتر در مواد، اثر شکست نوری ضعیف‌تر، پایداری بیشتر
در ابتدا، مدولاتورهای LNOI اغلب دچار رانش نقطه بایاس می‌شدند، که عمدتاً به دلیل تجمع بار ناشی از نقص در رابط موجبر بود. در صورت عدم درمان، تثبیت این دستگاه‌ها ممکن است تا یک روز طول بکشد. با این حال، روش‌های مختلفی برای حل این مشکل، مانند استفاده از روکش اکسید فلزی، قطبش زیرلایه و آنیل، توسعه داده شد که اکنون این مشکل را تا حد زیادی قابل مدیریت می‌کند.
در مقابل، LTOI نقص‌های کمتری در مواد دارد که منجر به کاهش قابل توجه پدیده رانش می‌شود. حتی بدون پردازش اضافی، نقطه کار آن نسبتاً پایدار می‌ماند. نتایج مشابهی توسط EPFL، هاروارد و دانشگاه ژجیانگ گزارش شده است. با این حال، این مقایسه اغلب از مدولاتورهای LNOI بدون پردازش استفاده می‌کند که ممکن است کاملاً منصفانه نباشد. با پردازش، عملکرد هر دو ماده احتمالاً مشابه است. تفاوت اصلی در LTOI است که به مراحل پردازش اضافی کمتری نیاز دارد.
②دوشکستی کمتر: 0.004 در مقابل 0.07
دوشکستی بالای لیتیوم نیوبات (LNOI) می‌تواند گاهی اوقات چالش برانگیز باشد، به خصوص به این دلیل که خمیدگی‌های موجبر می‌توانند باعث کوپلینگ مد و هیبریداسیون مد شوند. در LNOI نازک، خمیدگی در موجبر می‌تواند تا حدی نور TE را به نور TM تبدیل کند و ساخت برخی از دستگاه‌های غیرفعال مانند فیلترها را پیچیده کند.
با LTOI، دوشکستی پایین‌تر این مشکل را از بین می‌برد و به طور بالقوه توسعه دستگاه‌های غیرفعال با عملکرد بالا را آسان‌تر می‌کند. EPFL همچنین نتایج قابل توجهی را گزارش کرده است که با بهره‌گیری از دوشکستی پایین LTOI و عدم وجود عبور مد، به تولید شانه فرکانسی الکترواپتیکی با طیف بسیار وسیع با کنترل پراکندگی مسطح در یک محدوده طیفی وسیع دست یافته است. این امر منجر به پهنای باند شانه‌ای چشمگیر ۴۵۰ نانومتری با بیش از ۲۰۰۰ خط شانه‌ای شد که چندین برابر بزرگتر از پهنای باند شانه‌ای قابل دستیابی با لیتیوم نیوبات است. در مقایسه با شانه‌های فرکانسی نوری کر، شانه‌های الکترواپتیکی مزیت بدون آستانه بودن و پایداری بیشتر را ارائه می‌دهند، اگرچه به ورودی مایکروویو با توان بالا نیاز دارند.
۳. (۳)آستانه آسیب نوری بالاتر
آستانه آسیب نوری LTOI دو برابر LNOI است که مزیتی در کاربردهای غیرخطی (و احتمالاً کاربردهای جذب کامل همدوس (CPO) در آینده) ارائه می‌دهد. بعید است که سطوح توان ماژول نوری فعلی به لیتیوم نیوبات آسیب برساند.
④اثر رامان پایین
این موضوع همچنین به کاربردهای غیرخطی مربوط می‌شود. لیتیوم نیوبات اثر رامان قوی دارد که در کاربردهای شانه فرکانس نوری کر می‌تواند منجر به تولید نور رامان ناخواسته و رقابت سود شود و از رسیدن شانه‌های فرکانس نوری لیتیوم نیوبات با برش x به حالت سالیتون جلوگیری کند. با LTOI، اثر رامان را می‌توان از طریق طراحی جهت‌گیری کریستال سرکوب کرد و به LTOI با برش x اجازه داد تا به تولید شانه فرکانس نوری سالیتون دست یابد. این امر امکان ادغام یکپارچه شانه‌های فرکانس نوری سالیتون با مدولاتورهای پرسرعت را فراهم می‌کند، شاهکاری که با LNOI قابل دستیابی نیست.
◆ چرا قبلاً به تانتالات لیتیوم لایه نازک (LTOI) اشاره نشده بود؟
تانتالات لیتیوم دمای کوری پایین‌تری نسبت به نیوبات لیتیوم دارد (۶۱۰ درجه سانتیگراد در مقابل ۱۱۵۷ درجه سانتیگراد). قبل از توسعه فناوری ناهمگن‌سازی (XOI)، مدولاتورهای نیوبات لیتیوم با استفاده از انتشار تیتانیوم ساخته می‌شدند که نیاز به عملیات حرارتی در دمای بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد دارد و LTOI را نامناسب می‌کند. با این حال، با تغییر رویکرد امروزی به سمت استفاده از زیرلایه‌های عایق و حکاکی موجبر برای تشکیل مدولاتور، دمای کوری ۶۱۰ درجه سانتیگراد بیش از حد کافی است.
◆ آیا تانتالات لیتیوم لایه نازک (LTOI) جایگزین نیوبات لیتیوم لایه نازک (TFLN) خواهد شد؟
بر اساس تحقیقات فعلی، LTOI مزایایی در عملکرد غیرفعال، پایداری و هزینه تولید در مقیاس بزرگ ارائه می‌دهد، بدون هیچ گونه نقص ظاهری. با این حال، LTOI در عملکرد مدولاسیون از لیتیوم نیوبات پیشی نمی‌گیرد و مشکلات پایداری با LNOI راه‌حل‌های شناخته‌شده‌ای دارند. برای ماژول‌های DR ارتباطی، تقاضای کمی برای اجزای غیرفعال وجود دارد (و در صورت نیاز می‌توان از نیترید سیلیکون استفاده کرد). علاوه بر این، سرمایه‌گذاری‌های جدیدی برای ایجاد مجدد فرآیندهای اچینگ در سطح ویفر، تکنیک‌های ادغام ناهمگن و آزمایش قابلیت اطمینان مورد نیاز است (مشکل اچینگ در سطح ویفر لیتیوم نیوبات، موجبر نبود، بلکه دستیابی به اچینگ در سطح ویفر با بازده بالا بود). بنابراین، برای رقابت با جایگاه تثبیت‌شده لیتیوم نیوبات، LTOI ممکن است نیاز به کشف مزایای بیشتری داشته باشد. با این حال، از نظر دانشگاهی، LTOI پتانسیل تحقیقاتی قابل توجهی برای سیستم‌های یکپارچه روی تراشه، مانند شانه‌های الکترواپتیکی با پوشش اکتاو، PPLT، دستگاه‌های تقسیم طول موج سولیتون و AWG و مدولاتورهای آرایه‌ای ارائه می‌دهد.
زمان ارسال: نوامبر-08-2024