חומר ליתיום טנטלאט (LTOI) מתגלה ככוח חדש ומשמעותי בתחום האופטיקה המשולבת. השנה פורסמו כמה עבודות ברמה גבוהה על מאפננים LTOI, עם פרוסות LTOI איכותיות שסופקו על ידי פרופסור שין או ממכון שנגחאי לטכנולוגיית מיקרו-מערכות ומידע, ותהליכי תחריט של מולי גל איכותיים שפותחו על ידי קבוצתו של פרופסור קיפנברג ב-EPFL , שוויץ. מאמצי שיתוף הפעולה שלהם הציגו תוצאות מרשימות. בנוסף, צוותי מחקר מאוניברסיטת ג'ה-ג'יאנג בראשות פרופסור ליו ליו ואוניברסיטת הרווארד בראשות פרופסור לונקר דיווחו גם על מאפננים LTOI מהירים ויציבים.
כקרוב משפחה של ליתיום ניובט עם סרט דק (LNOI), LTOI שומר על אפנון מהירות גבוה ומאפיינים עם אובדן נמוך של ליתיום ניובט, תוך שהוא מציע יתרונות כמו עלות נמוכה, שבירה כפולה נמוכה והשפעות פוטו-שבירה מופחתות. השוואה בין המאפיינים העיקריים של שני החומרים מוצגת להלן.
◆ קווי דמיון בין Lithium Tantalate (LTOI) ל-Lithium Niobate (LNOI)
①אינדקס שבירה:2.12 לעומת 2.21
זה מרמז שממדי מוליך הגל במצב יחיד, רדיוס הכיפוף וגדלי התקנים פסיביים נפוצים המבוססים על שני החומרים דומים מאוד, וגם ביצועי צימוד הסיבים שלהם ניתנים להשוואה. עם תחריט 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 אחר הצהריים/V לעומת 30.9 אחר הצהריים/V
יעילות האפנון דומה עבור שני החומרים, כאשר אפנון מבוסס על אפקט Pockels, המאפשר רוחב פס גבוה. נכון לעכשיו, מאפננים LTOI מסוגלים להשיג ביצועים של 400G לכל נתיב, עם רוחב פס העולה על 110 GHz.
③Bandgap:3.93 eV לעומת 3.78 eV
לשני החומרים חלון שקוף רחב, התומך ביישומים מאורכי גל גלוי ועד אינפרא אדום, ללא ספיגה בפסי התקשורת.
④מקדם לא ליניארי מסדר שני (d33):21:00 בלילה לעומת 27 בלילה
אם נעשה בו שימוש עבור יישומים לא ליניאריים כגון דור הרמוני שני (SHG), יצירת תדר הבדל (DFG), או יצירת תדר סכום (SFG), יעילות ההמרה של שני החומרים צריכה להיות די דומה.
◆ יתרון עלות של LTOI לעומת LNOI
①עלות הכנת רקיק נמוכה יותר
LNOI מצריך השתלת יון He להפרדת שכבות, שיש לה יעילות יינון נמוכה. לעומת זאת, LTOI משתמש בהשתלת H ion להפרדה, בדומה ל-SOI, עם יעילות דלמינציה הגבוהה פי 10 מ-LNOI. זה מביא להבדל מחיר משמעותי עבור פרוסות 6 אינץ': $300 לעומת $2000, הפחתה של 85% בעלויות.
②זה כבר נמצא בשימוש נרחב בשוק האלקטרוניקה לצרכן עבור מסננים אקוסטיים(750,000 יחידות מדי שנה, בשימוש סמסונג, אפל, סוני וכו').
◆ יתרונות הביצועים של LTOI לעומת LNOI
①פחות פגמים בחומרים, אפקט שבירה פוטו חלש יותר, יותר יציבות
בתחילה, מאפננים LNOI הציגו לעתים קרובות סחיפה של נקודת הטיה, בעיקר עקב הצטברות מטען שנגרמה על ידי פגמים בממשק מוליך הגל. אם לא יטופלו, המכשירים הללו עשויים לקחת עד יום להתייצב. עם זאת, פותחו שיטות שונות כדי לטפל בבעיה זו, כגון שימוש בחיפוי תחמוצת מתכת, קיטוב מצע וחישול, מה שהופך את הבעיה הזו לניתנת לניהול במידה רבה כעת.
לעומת זאת, ל-LTOI יש פחות פגמים חומריים, מה שמוביל לתופעות סחיפה מופחתות משמעותית. גם ללא עיבוד נוסף, נקודת הפעולה שלו נשארת יציבה יחסית. תוצאות דומות דווחו על ידי EPFL, הרווארד ואוניברסיטת Zhejiang. עם זאת, ההשוואה משתמשת לעתים קרובות במאפננים LNOI לא מטופלים, מה שאולי לא לגמרי הוגן; עם עיבוד, סביר להניח שהביצועים של שני החומרים דומים. ההבדל העיקרי טמון ב-LTOI הדורש פחות שלבי עיבוד נוספים.
②שבירה דו-פעמית תחתונה: 0.004 לעומת 0.07
השבירה הדו-פעמית הגבוהה של ליתיום ניובאט (LNOI) יכולה להיות מאתגרת לפעמים, במיוחד מכיוון שכיפופי מוליך גל עלולים לגרום לצימוד מצבים ולהכלאת מצבים. ב-LNOI דק, עיקול במוליך הגל יכול להמיר חלקית אור TE לאור TM, מה שמסבך את הייצור של מכשירים פסיביים מסוימים, כמו מסננים.
עם LTOI, השבירה הכפולה הנמוכה מבטלת את הבעיה הזו, מה שעשוי להקל על פיתוח התקנים פסיביים בעלי ביצועים גבוהים. EPFL דיווחה גם על תוצאות בולטות, תוך מינוף השבירה הדו-פעמית הנמוכה של LTOI והיעדר חציית מצבים כדי להשיג יצירת מסרק תדרים אלקטרו-אופטי רחב במיוחד עם בקרת פיזור שטוח על פני טווח ספקטרלי רחב. זה הביא לרוחב פס מסרק מרשים של 450 ננומטר עם למעלה מ-2000 קווי מסרק, גדולים פי כמה ממה שניתן להשיג עם ליתיום ניובאט. בהשוואה למסרקות תדר אופטיות של Kerr, מסרקות אלקטרו-אופטיות מציעות את היתרון של נטולות סף ויציבות יותר, למרות שהן דורשות כניסת מיקרוגל בעוצמה גבוהה.
③סף נזק אופטי גבוה יותר
סף הנזק האופטי של LTOI הוא פי שניים מזה של LNOI, ומציע יתרון ביישומים לא ליניאריים (ופוטנציאל עתידי של יישומי ספיגה קוהרנטית מושלמת (CPO)). אין סיכוי שרמות הספק הנוכחיות של המודול האופטי יפגעו בליתיום ניובאט.
④אפקט רמאן נמוך
זה נוגע גם ליישומים לא ליניאריים. לליתיום ניובאט יש אפקט ראמאן חזק, אשר ביישומי מסרקת תדר אופטית של Kerr יכול להוביל לייצור אור רמאן לא רצוי ולזכות בתחרות, ולמנוע ממסרקות תדר ליתיום ניובאט בחיתוך x להגיע למצב הסוליטון. עם LTOI, ניתן לדכא את אפקט ה-Raman באמצעות עיצוב כיוון גביש, המאפשר ל-LTOI בחיתוך x להשיג יצירת מסרק תדר אופטי של סוליטון. זה מאפשר שילוב מונוליטי של מסרקות תדר אופטיות סוליטון עם מאפננים במהירות גבוהה, הישג שלא ניתן להשגה עם LNOI.
◆ מדוע לא הוזכר קודם לכן?
לליתיום טנטלאט יש טמפרטורת קירי נמוכה יותר מאשר לליתיום ניובאט (610°C לעומת 1157°C). לפני הפיתוח של טכנולוגיית ההטרואינטגרציה (XOI), מאפננים ליתיום ניובאט יוצרו באמצעות דיפוזיה של טיטניום, הדורשת חישול במעל 1000°C, מה שהופך את ה-LTOI ללא מתאים. עם זאת, עם המעבר של היום לשימוש במצעים מבודדים וחריטת מוליך גל להיווצרות מאפנן, טמפרטורת Curie של 610 מעלות צלזיוס היא יותר ממספיקה.
◆ האם ליתיום טנטלאט סרט דק (LTOI) יחליף את ליתיום ניובאט סרט דק (TFLN)?
בהתבסס על המחקר הנוכחי, LTOI מציע יתרונות בביצועים פסיביים, יציבות ועלות ייצור בקנה מידה גדול, ללא חסרונות ברורים. עם זאת, LTOI אינו עולה על ליתיום ניובאט בביצועי אפנון, ולבעיות יציבות עם LNOI יש פתרונות ידועים. עבור מודולי DR תקשורת, יש ביקוש מינימלי לרכיבים פסיביים (ואפשר להשתמש בסיליקון ניטריד במידת הצורך). בנוסף, נדרשות השקעות חדשות כדי לבסס מחדש תהליכי צריבה ברמת רקיק, טכניקות הטרואינטגרציה ובדיקות מהימנות (הקושי בתחריט ליתיום ניובאט לא היה מוליך הגל אלא השגת תחריט ברמת רקיק בתפוקה גבוהה). לכן, כדי להתחרות בעמדה המבוססת של ליתיום ניובאט, ייתכן ש-LTOI יצטרך לחשוף יתרונות נוספים. אולם מבחינה אקדמית, LTOI מציע פוטנציאל מחקר משמעותי עבור מערכות משולבות על-שבב, כגון מסרקים אלקטרו-אופטיים פורשי אוקטבות, PPLT, התקני חלוקת אורכי גל סוליטון ו-AWG ומאפני מערך.
זמן פרסום: נובמבר-08-2024