חומר ליתיום טנטלט דק (LTOI) מתגלה ככוח משמעותי חדש בתחום האופטיקה המשולבת. השנה פורסמו מספר עבודות ברמה גבוהה על מודולטורי LTOI, כולל פרוסות LTOI איכותיות שסופקו על ידי פרופסור שין או ממכון שנגחאי למיקרו-מערכות וטכנולוגיית מידע, ותהליכי איכול מוליכי גל איכותיים שפותחו על ידי קבוצתו של פרופסור קיפנברג ב-EPFL, שוויץ. שיתוף הפעולה שלהם הניב תוצאות מרשימות. בנוסף, צוותי מחקר מאוניברסיטת ג'ג'יאנג בראשות פרופסור ליו ליו ומאוניברסיטת הרווארד בראשות פרופסור לונקאר דיווחו גם על מודולטורי LTOI במהירות גבוהה וביציבות גבוהה.
כקרוב משפחה של ליתיום ניובט בשכבה דקה (LNOI), LTOI שומר על מאפייני המודולציה המהירה וההפסדים הנמוכים של ליתיום ניובט, ובמקביל מציע יתרונות כגון עלות נמוכה, שבירה כפולה נמוכה ואפקטים פוטו-רפרקטיביים מופחתים. השוואה בין המאפיינים העיקריים של שני החומרים מוצגת להלן.
◆ קווי דמיון בין ליתיום טנטלט (LTOI) וליתיום ניובט (LNOI)
①מקדם שבירה:2.12 לעומת 2.21
משמעות הדבר היא שממדי מוליך הגל החד-מצבי, רדיוס הכיפוף וגדלי ההתקנים הפסיביים הנפוצים המבוססים על שני החומרים דומים מאוד, וגם ביצועי צימוד הסיבים שלהם דומים. עם איכול מוליך גל טוב, שני החומרים יכולים להשיג אובדן הכנסה של<0.1 dB/cm. EPFL מדווח על אובדן מוליך גל של 5.6 dB/m.
②מקדם אלקטרו-אופטי:30.5 pm/V לעומת 30.9 pm/V
יעילות המודולציה דומה עבור שני החומרים, כאשר המודולציה מבוססת על אפקט פוקלס, מה שמאפשר רוחב פס גבוה. נכון לעכשיו, מודולטורי LTOI מסוגלים להשיג ביצועים של 400 ג'יגה-בייט לכל נתיב, עם רוחב פס העולה על 110 גיגה-הרץ.
③פער פסי:3.93 eV לעומת 3.78 eV
לשני החומרים חלון שקוף רחב, התומכים ביישומים מאורכי גל גלויים ועד לאורכי גל אינפרא אדום, ללא בליעה בפסי התקשורת.
④מקדם לא ליניארי מסדר שני (d33):21:00/V לעומת 27:00/V
אם משתמשים בהם עבור יישומים לא ליניאריים כגון יצירת הרמוניות שניות (SHG), יצירת תדר הפרש (DFG) או יצירת תדר סכום (SFG), יעילות ההמרה של שני החומרים צריכה להיות דומה למדי.
◆ יתרון עלות של LTOI לעומת LNOI
①עלות הכנת ופלים נמוכה יותר
LNOI דורש השתלת יוני He להפרדת שכבות, בעל יעילות יינון נמוכה. לעומת זאת, LTOI משתמש בהשתלת יוני H להפרדה, בדומה ל-SOI, עם יעילות דה-למינציה גבוהה פי 10 מזו של LNOI. התוצאה היא הבדל משמעותי במחיר עבור פרוסות 6 אינץ': 300 דולר לעומת 2000 דולר, הפחתת עלות של 85%.
②הוא כבר נמצא בשימוש נרחב בשוק האלקטרוניקה הצרכנית עבור מסננים אקוסטיים(750,000 יחידות בשנה, בשימוש סמסונג, אפל, סוני וכו').
◆ יתרונות ביצועים של LTOI לעומת LNOI
①פחות פגמי חומר, אפקט פוטו-רפרקטיבי חלש יותר, יציבות רבה יותר
בתחילה, מודולטורים של LNOI הציגו לעיתים קרובות סחיפת נקודת הטיה, בעיקר עקב הצטברות מטען הנגרמת מפגמים בממשק מוליך הגל. אם לא טופלו, התקנים אלה עלולים להתייצב תוך עד יום. עם זאת, פותחו שיטות שונות כדי לטפל בבעיה זו, כגון שימוש בציפוי תחמוצת מתכת, קיטוב מצע וחישול, מה שהופך את הבעיה הזו לניתנת לניהול במידה רבה כיום.
לעומת זאת, ל-LTOI יש פחות פגמים בחומר, מה שמוביל לתופעות סחיפה מופחתות משמעותית. גם ללא עיבוד נוסף, נקודת הפעולה שלו נשארת יציבה יחסית. תוצאות דומות דווחו על ידי EPFL, הרווארד ואוניברסיטת ג'ג'יאנג. עם זאת, ההשוואה משתמשת לעתים קרובות במודולטורים של LNOI לא מטופלים, דבר שעשוי לא להיות הוגן לחלוטין; עם עיבוד, הביצועים של שני החומרים כנראה דומים. ההבדל העיקרי טמון ב-LTOI הדורש פחות שלבי עיבוד נוספים.
②שבירה כפולה תחתונה: 0.004 לעומת 0.07
השבירה הכפולה הגבוהה של ליתיום ניובט (LNOI) יכולה להיות מאתגרת לעיתים, במיוחד מכיוון שכיפופי מוליך הגל יכולים לגרום לצימוד מצבים ולהכלאת מצבים. ב-LNOI דק, כיפוף במוליך הגל יכול להמיר חלקית אור TE לאור TM, מה שמסבך את ייצורם של התקנים פסיביים מסוימים, כמו מסננים.
עם LTOI, השבירה הכפולה הנמוכה מבטלת בעיה זו, מה שעשוי להקל על פיתוח התקנים פסיביים בעלי ביצועים גבוהים. EPFL דיווחה גם על תוצאות ראויות לציון, תוך מינוף השבירה הכפולה הנמוכה של LTOI והיעדר חציית מצבים כדי להשיג יצירת מסרק תדרים אלקטרו-אופטי בעל ספקטרום רחב במיוחד עם בקרת פיזור שטוחה על פני טווח ספקטרלי רחב. התוצאה הייתה רוחב פס מסרק מרשים של 450 ננומטר עם למעלה מ-2000 קווי מסרק, גדול פי כמה ממה שניתן להשיג עם ליתיום ניובט. בהשוואה למסרקי תדרים אופטיים של Kerr, מסרקים אלקטרו-אופטיים מציעים את היתרון של היותם נטולי סף ויציבים יותר, אם כי הם דורשים קלט מיקרוגל בעל הספק גבוה.
③סף נזק אופטי גבוה יותר
סף הנזק האופטי של LTOI כפול מזה של LNOI, דבר המציע יתרון ביישומים לא ליניאריים (ואולי גם ביישומים עתידיים של ספיגה מושלמת קוהרנטית (CPO). רמות ההספק הנוכחיות של המודול האופטי אינן צפויות לפגוע בליתיום ניובט.
④אפקט ראמאן נמוך
זה רלוונטי גם ליישומים לא ליניאריים. לליתיום ניובט יש אפקט ראמאן חזק, אשר ביישומי מסרק תדר אופטי של Kerr יכול להוביל ליצירת אור ראמאן לא רצוי ולצבור תחרות, ובכך למנוע ממסרק תדר אופטי של ליתיום ניובט חתוך-X להגיע למצב סוליטון. בעזרת LTOI, ניתן לדכא את אפקט הראמאן באמצעות תכנון אוריינטציה של גבישים, מה שמאפשר ל-LTOI חתוך-X להשיג יצירת מסרק תדר אופטי של סוליטון. זה מאפשר שילוב מונוליתי של מסרקי תדר אופטיים של סוליטון עם מודולטורים במהירות גבוהה, הישג שאינו בר השגה עם LNOI.
◆ מדוע לא הוזכר קודם לכן ליתיום טנטלט דק-שכבה (LTOI)?
לליתיום טנטלט טמפרטורת קירי נמוכה יותר מאשר לליתיום ניובט (610°C לעומת 1157°C). לפני פיתוח טכנולוגיית ההטרואינטגרציה (XOI), מודולטורים של ליתיום ניובט יוצרו באמצעות דיפוזיה של טיטניום, הדורשת חישול בטמפרטורה מעל 1000°C, מה שהופך את LTOI ללא מתאים. עם זאת, עם המעבר כיום לשימוש במצעים מבודדים ובאיכול מוליכי גל ליצירת מודולטור, טמפרטורת קירי של 610°C מספיקה בהחלט.
◆ האם ליתיום טנטלט דק-שכבה (LTOI) יחליף את ליתיום ניובט דק-שכבה (TFLN)?
בהתבסס על מחקרים עדכניים, LTOI מציע יתרונות בביצועים פסיביים, יציבות ועלות ייצור בקנה מידה גדול, ללא חסרונות נראים לעין. עם זאת, LTOI אינו עולה על ליתיום ניובט בביצועי המודולציה, ולבעיות יציבות עם LNOI יש פתרונות ידועים. עבור מודולי DR לתקשורת, יש ביקוש מינימלי לרכיבים פסיביים (וניתן להשתמש בסיליקון ניטריד במידת הצורך). בנוסף, נדרשות השקעות חדשות כדי לבסס מחדש תהליכי איכול ברמת פרוסת ופלים, טכניקות הטרואינטגרציה ובדיקות אמינות (הקושי באיכול ליתיום ניובט לא היה מוליך הגל אלא השגת איכול ברמת פרוסת ופלים בתפוקה גבוהה). לכן, כדי להתחרות במעמדו המבוסס של ליתיום ניובט, LTOI עשוי להזדקק לחשוף יתרונות נוספים. מבחינה אקדמית, לעומת זאת, LTOI מציע פוטנציאל מחקרי משמעותי למערכות משולבות על שבב, כגון מסרקים אלקטרו-אופטיים פורשי אוקטבות, PPLT, התקני חלוקת אורכי גל סוליטונים ו-AWG, ומאפנני מערכים.
זמן פרסום: 8 בנובמבר 2024