თხელფენოვანი ლითიუმის ტანტალატი (LTOI) მასალა ინტეგრირებული ოპტიკის სფეროში მნიშვნელოვან ახალ ძალად იქცევა. წელს გამოქვეყნდა LTOI მოდულატორებზე რამდენიმე მაღალი დონის ნაშრომი, მათ შორის მაღალი ხარისხის LTOI ვაფლები, რომლებიც შანხაის მიკროსისტემებისა და ინფორმაციული ტექნოლოგიების ინსტიტუტის პროფესორმა სინ ოუმ მოგვაწოდა, ხოლო მაღალი ხარისხის ტალღის გამტარი გრავირების პროცესები შეიმუშავა პროფესორ კიპენბერგის ჯგუფმა შვეიცარიის EPFL-ში. მათმა ერთობლივმა ძალისხმევამ შთამბეჭდავი შედეგები აჩვენა. გარდა ამისა, ჟეჯიანგის უნივერსიტეტის, პროფესორ ლიუ ლიუს ხელმძღვანელობით და ჰარვარდის უნივერსიტეტის, პროფესორ ლონკარის ხელმძღვანელობით, კვლევითმა ჯგუფებმა ასევე მოამზადეს ინფორმაცია მაღალსიჩქარიანი, მაღალი სტაბილურობის LTOI მოდულატორების შესახებ.
თხელფენოვანი ლითიუმის ნიობატის (LNOI) ახლო ნათესავის სახით, LTOI ინარჩუნებს ლითიუმის ნიობატის მაღალსიჩქარიან მოდულაციას და დაბალი დანაკარგების მახასიათებლებს, ამასთანავე, გვთავაზობს ისეთ უპირატესობებს, როგორიცაა დაბალი ფასი, დაბალი ორმაგი გარდატეხა და შემცირებული ფოტორეფრაქციული ეფექტები. ქვემოთ წარმოდგენილია ორი მასალის ძირითადი მახასიათებლების შედარება.
◆ მსგავსება ლითიუმის ტანტალატსა (LTOI) და ლითიუმის ნიობატს (LNOI) შორის
①რეფრაქციული ინდექსი:2.12 2.21-ის წინააღმდეგ
ეს გულისხმობს, რომ ორივე მასალაზე დაფუძნებული ერთმოდიანი ტალღგამტარი ზომები, მოხრის რადიუსი და საერთო პასიური მოწყობილობების ზომები ძალიან ჰგავს ერთმანეთს და მათი ბოჭკოვანი შეერთების მახასიათებლებიც შედარებადია. კარგი ტალღგამტარი გრავირებით, ორივე მასალას შეუძლია მიაღწიოს ჩასმის დანაკარგს<0.1 დბ/სმ. EPFL იტყობინება ტალღის გამტარის დანაკარგის 5.6 დბ/მ-ს.
②ელექტროოპტიკური კოეფიციენტი:30.5 pm/V 30.9 pm/V-ის წინააღმდეგ
მოდულაციის ეფექტურობა ორივე მასალისთვის შედარებადია, პოკელსის ეფექტზე დაფუძნებული მოდულაციით, რაც მაღალი გამტარუნარიანობის საშუალებას იძლევა. ამჟამად, LTOI მოდულატორებს შეუძლიათ მიაღწიონ 400G-ს თითოეულ ზოლზე, 110 გჰც-ზე მეტი გამტარუნარიანობით.
③ზოლის გათიშვა:3.93 eV 3.78 eV-ის წინააღმდეგ
ორივე მასალას აქვს ფართო გამჭვირვალე ფანჯარა, რომელიც მხარს უჭერს აპლიკაციებს ხილულიდან ინფრაწითელ ტალღის სიგრძეებამდე, საკომუნიკაციო დიაპაზონებში შთანთქმის გარეშე.
④მეორე რიგის არაწრფივი კოეფიციენტი (d33):21:00/V-ის წინააღმდეგ 27:00/V-ის წინააღმდეგ
თუ გამოიყენება არაწრფივი აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა მეორე ჰარმონიული გენერაცია (SHG), სხვაობა-სიხშირის გენერაცია (DFG) ან ჯამური სიხშირის გენერაცია (SFG), ორი მასალის გარდაქმნის ეფექტურობა საკმაოდ მსგავსი უნდა იყოს.
◆ LTOI-ის ღირებულების უპირატესობა LNOI-სთან შედარებით
①ვაფლის მომზადების დაბალი ღირებულება
LNOI ფენების გამოყოფისთვის საჭიროებს He იონების იმპლანტაციას, რომელსაც დაბალი იონიზაციის ეფექტურობა აქვს. ამის საპირისპიროდ, LTOI გამოყოფისთვის იყენებს H იონების იმპლანტაციას, SOI-ს მსგავსად, დელამინირების ეფექტურობით, რომელიც LNOI-ზე 10-ჯერ მეტია. ეს იწვევს 6 დიუმიანი ვაფლების ფასში მნიშვნელოვან სხვაობას: $300 $2000-თან შედარებით, რაც 85%-ით შემცირებას წარმოადგენს.
②ის უკვე ფართოდ გამოიყენება სამომხმარებლო ელექტრონიკის ბაზარზე აკუსტიკური ფილტრებისთვის.(წლიურად 750,000 ერთეული, რომელსაც იყენებენ Samsung, Apple, Sony და ა.შ.).
◆ LTOI-ის უპირატესობები LNOI-სთან შედარებით
①ნაკლები მასალის დეფექტი, სუსტი ფოტორეფრაქციული ეფექტი, მეტი სტაბილურობა
თავდაპირველად, LNOI მოდულატორები ხშირად ავლენდნენ გადახრის წერტილის დრიფტს, ძირითადად ტალღის გამტარ ინტერფეისზე დეფექტებით გამოწვეული მუხტის დაგროვების გამო. უყურადღებობის შემთხვევაში, ამ მოწყობილობების სტაბილიზაციას შეიძლება ერთ დღემდე დასჭირდეს. თუმცა, ამ პრობლემის გადასაჭრელად შემუშავდა სხვადასხვა მეთოდი, როგორიცაა ლითონის ოქსიდის საფარის გამოყენება, სუბსტრატის პოლარიზაცია და გახურება, რაც ამ პრობლემას ამჟამად დიდწილად მართვადს ხდის.
ამის საპირისპიროდ, LTOI-ს ნაკლები მასალის დეფექტი აქვს, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს დრეიფის ფენომენს. დამატებითი დამუშავების გარეშეც კი, მისი სამუშაო წერტილი შედარებით სტაბილური რჩება. მსგავსი შედეგები გამოქვეყნდა EPFL-ის, ჰარვარდის და ჟეჟიანგის უნივერსიტეტის მიერ. თუმცა, შედარებისას ხშირად გამოიყენება დაუმუშავებელი LNOI მოდულატორები, რაც შეიძლება სრულიად სამართლიანი არ იყოს; დამუშავებისას, ორივე მასალის მუშაობა, სავარაუდოდ, მსგავსია. მთავარი განსხვავება იმაში მდგომარეობს, რომ LTOI მოითხოვს ნაკლებ დამატებით დამუშავების ნაბიჯებს.
②ქვედა ორმაგი ხიბლი: 0.004 vs 0.07
ლითიუმის ნიობატის (LNOI) მაღალი ორმაგი ფრინგენტობა ზოგჯერ შეიძლება რთული იყოს, განსაკუთრებით იმის გამო, რომ ტალღგამტარის მოხრამ შეიძლება გამოიწვიოს მოდის შეერთება და მოდის ჰიბრიდიზაცია. თხელი LNOI-ში, ტალღგამტარში მოხრამ შეიძლება ნაწილობრივ გარდაქმნას TE სინათლე TM სინათლედ, რაც ართულებს გარკვეული პასიური მოწყობილობების, მაგალითად, ფილტრების, დამზადებას.
LTOI-ის შემთხვევაში, დაბალი ორმაგი გარდატეხა აღმოფხვრის ამ პრობლემას, რაც პოტენციურად აადვილებს მაღალი ხარისხის პასიური მოწყობილობების შემუშავებას. EPFL-მა ასევე აჩვენა მნიშვნელოვანი შედეგები, სადაც LTOI-ის დაბალი ორმაგი გარდატეხა და რეჟიმის გადაკვეთის არარსებობა გამოიყენება ულტრაფართო სპექტრის ელექტრო-ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის გენერირებისთვის ფართო სპექტრულ დიაპაზონში ბრტყელი დისპერსიის კონტროლით. ამან გამოიწვია შთამბეჭდავი 450 ნმ სავარცხლის გამტარობა 2000-ზე მეტი სავარცხლის ხაზით, რაც რამდენჯერმე აღემატება ლითიუმის ნიობატით მიღწეულ მაჩვენებელს. Kerr-ის ოპტიკურ სიხშირის სავარცხლებთან შედარებით, ელექტრო-ოპტიკური სავარცხლები უპირატესობას ანიჭებენ ზღურბლის გარეშე ყოფნას და უფრო სტაბილურობას, თუმცა მათ სჭირდებათ მაღალი სიმძლავრის მიკროტალღური შეყვანა.
③ოპტიკური დაზიანების უფრო მაღალი ზღვარი
LTOI-ის ოპტიკური დაზიანების ზღვარი ორჯერ აღემატება LNOI-ს, რაც უპირატესობას ანიჭებს არაწრფივ აპლიკაციებში (და პოტენციურად მომავალში კოჰერენტული სრულყოფილი შთანთქმის (CPO) აპლიკაციებში). ოპტიკური მოდულის ამჟამინდელი სიმძლავრე, სავარაუდოდ, არ დააზიანებს ლითიუმის ნიობატს.
④დაბალი რამანის ეფექტი
ეს ასევე ეხება არაწრფივ აპლიკაციებს. ლითიუმის ნიობატს აქვს ძლიერი რამანის ეფექტი, რამაც კერის ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის აპლიკაციებში შეიძლება გამოიწვიოს არასასურველი რამანის სინათლის გენერაცია და კონკურენციის გაძლიერება, რაც ხელს უშლის x-ჭრილი ლითიუმის ნიობატის ოპტიკური სიხშირის სავარცხლებს სოლიტონის მდგომარეობამდე მიღწევაში. LTOI-ის საშუალებით, რამანის ეფექტის ჩახშობა შესაძლებელია კრისტალური ორიენტაციის დიზაინის საშუალებით, რაც საშუალებას აძლევს x-ჭრილ LTOI-ს მიაღწიოს სოლიტონის ოპტიკური სიხშირის სავარცხლის გენერაციას. ეს საშუალებას იძლევა სოლიტონის ოპტიკური სიხშირის სავარცხლების მონოლითური ინტეგრაციის მაღალსიჩქარიან მოდულატორებთან, რაც LNOI-ით მიუღწეველია.
◆ რატომ არ იყო ნახსენები თხელფენოვანი ლითიუმის ტანტალატი (LTOI) ადრე?
ლითიუმის ტანტალატს ლითიუმის ნიობატთან შედარებით უფრო დაბალი კიურის ტემპერატურა აქვს (610°C 1157°C-ის წინააღმდეგ). ჰეტეროინტეგრაციის ტექნოლოგიის (XOI) შემუშავებამდე, ლითიუმის ნიობატის მოდულატორები მზადდებოდა ტიტანის დიფუზიის გამოყენებით, რაც მოითხოვს 1000°C-ზე მეტ ტემპერატურაზე გახურებას, რაც LTOI-ს შეუფერებელს ხდის. თუმცა, მოდულატორის ფორმირებისთვის იზოლატორის სუბსტრატებისა და ტალღის გამტარი გრავირების გამოყენებაზე დღევანდელი გადასვლით, 610°C კიურის ტემპერატურა საკმარისზე მეტია.
◆ ჩაანაცვლებს თუ არა თხელფენოვანი ლითიუმის ტანტალატი (LTOI) თხელფენოვან ლითიუმის ნიობატს (TFLN)?
მიმდინარე კვლევების საფუძველზე, LTOI უპირატესობას გვთავაზობს პასიური მუშაობის, სტაბილურობისა და მასშტაბური წარმოების ღირებულების მხრივ, აშკარა ნაკლოვანებების გარეშე. თუმცა, LTOI მოდულაციის მუშაობის მხრივ არ აღემატება ლითიუმის ნიობატს და LNOI-სთან დაკავშირებული სტაბილურობის პრობლემების გადაჭრის გზები ცნობილია. საკომუნიკაციო DR მოდულებისთვის, პასიურ კომპონენტებზე მოთხოვნა მინიმალურია (და საჭიროების შემთხვევაში, შეიძლება გამოყენებულ იქნას სილიციუმის ნიტრიდი). გარდა ამისა, საჭიროა ახალი ინვესტიციები ვაფლის დონის გრავირების პროცესების, ჰეტეროინტეგრაციის ტექნიკისა და საიმედოობის ტესტირების აღსადგენად (ლითიუმის ნიობატის გრავირების სირთულე არ იყო ტალღის გამტარი, არამედ მაღალი მოსავლიანობის ვაფლის დონის გრავირების მიღწევა). ამიტომ, ლითიუმის ნიობატის დამკვიდრებულ პოზიციასთან კონკურენციისთვის, LTOI-ს შეიძლება დასჭირდეს დამატებითი უპირატესობების აღმოჩენა. თუმცა, აკადემიური თვალსაზრისით, LTOI მნიშვნელოვან კვლევით პოტენციალს გვთავაზობს ინტეგრირებული ჩიპზე დაფუძნებული სისტემებისთვის, როგორიცაა ოქტავის გამჭოლი ელექტრო-ოპტიკური სავარცხლები, PPLT, სოლიტონის და AWG ტალღის სიგრძის გამყოფი მოწყობილობები და მასივის მოდულატორები.
გამოქვეყნების დრო: 2024 წლის 8 ნოემბერი