วัสดุลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) กำลังก้าวขึ้นมาเป็นกำลังสำคัญใหม่ในด้านออปติกแบบบูรณาการ ในปีนี้ ผลงานระดับสูงหลายชิ้นเกี่ยวกับโมดูเลเตอร์ LTOI ได้รับการตีพิมพ์ โดยมีเวเฟอร์ LTOI คุณภาพสูงที่จัดทำโดยศาสตราจารย์ Xin Ou จากสถาบันไมโครซิสเต็มและเทคโนโลยีสารสนเทศเซี่ยงไฮ้ และกระบวนการแกะสลักท่อนำคลื่นคุณภาพสูงที่พัฒนาโดยกลุ่มของศาสตราจารย์ Kippenberg ที่ EPFL ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ความพยายามร่วมกันของพวกเขาได้แสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ นอกจากนี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเจ้อเจียง ซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ Liu Liu และมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ Loncar ยังได้รายงานเกี่ยวกับโมดูเลเตอร์ LTOI ความเร็วสูงและเสถียรภาพสูงอีกด้วย
เนื่องจากเป็นญาติใกล้ชิดของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LNOI) LTOI จึงยังคงคุณสมบัติการปรับความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำของลิเธียมไนโอเบตเอาไว้ ในขณะเดียวกันก็ยังมีข้อได้เปรียบ เช่น ต้นทุนต่ำ การหักเหแสงแบบคู่กันต่ำ และเอฟเฟกต์การหักเหแสงที่ลดลง ด้านล่างนี้จะนำเสนอการเปรียบเทียบลักษณะสำคัญของวัสดุทั้งสองชนิด
◆ ความคล้ายคลึงกันระหว่างลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) และลิเธียมไนโอเบต (LNOI)
①ดัชนีหักเหแสง:2.12 เทียบกับ 2.21
นั่นหมายความว่าขนาดของท่อนำคลื่นโหมดเดี่ยว รัศมีการโค้งงอ และขนาดอุปกรณ์พาสซีฟทั่วไปที่ใช้วัสดุทั้งสองชนิดนั้นมีความคล้ายคลึงกันมาก และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อไฟเบอร์ของท่อนำคลื่นทั้งสองชนิดนั้นก็เทียบเคียงกันได้ ด้วยการกัดท่อนำคลื่นที่ดี วัสดุทั้งสองชนิดจึงสามารถสูญเสียการแทรกได้<0.1 dB/cm EPFL รายงานการสูญเสียคลื่นนำทางที่ 5.6 dB/m
②ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติก:30.5 น./ชม. เทียบกับ 30.9 น./ชม.
ประสิทธิภาพการมอดูเลตนั้นเทียบได้กับวัสดุทั้งสองประเภท โดยการมอดูเลตนั้นอิงตามเอฟเฟกต์ของ Pockels ซึ่งช่วยให้มีแบนด์วิดท์สูง ปัจจุบัน ตัวมอดูเลต LTOI สามารถบรรลุประสิทธิภาพ 400G ต่อเลน โดยมีแบนด์วิดท์เกิน 110 GHz
③แบนด์แก๊ป:3.93 eV เทียบกับ 3.78 eV
วัสดุทั้งสองชนิดมีหน้าต่างโปร่งใสกว้าง รองรับการใช้งานตั้งแต่ความยาวคลื่นที่มองเห็นถึงอินฟราเรด โดยไม่มีการดูดซับในแบนด์การสื่อสาร
④ค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นลำดับที่สอง (d33):21.00 น./ชม. เทียบกับ 27.00 น./ชม.
หากใช้สำหรับการใช้งานที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง (SHG) การสร้างความถี่ต่างกัน (DFG) หรือการสร้างความถี่ผลรวม (SFG) ประสิทธิภาพการแปลงของวัสดุทั้งสองควรจะใกล้เคียงกันมาก
◆ ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนของ LTOI เมื่อเทียบกับ LNOI
①ต้นทุนการเตรียมเวเฟอร์ที่ต่ำลง
LNOI ต้องใช้การฝังไอออนฮีเลียมเพื่อแยกชั้น ซึ่งมีประสิทธิภาพการแตกตัวเป็นไอออนต่ำ ในทางตรงกันข้าม LTOI ใช้การฝังไอออนฮีเลียมเพื่อแยกชั้น ซึ่งคล้ายกับ SOI โดยมีประสิทธิภาพการแยกชั้นสูงกว่า LNOI มากกว่า 10 เท่า ส่งผลให้เวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วมีราคาแตกต่างกันอย่างมาก คือ 300 ดอลลาร์เทียบกับ 2,000 ดอลลาร์ ซึ่งลดต้นทุนได้ 85%
②มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภคสำหรับตัวกรองเสียงแล้ว(750,000 หน่วยต่อปี ใช้โดย Samsung, Apple, Sony ฯลฯ)
◆ ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของ LTOI เมื่อเทียบกับ LNOI
①ข้อบกพร่องของวัสดุน้อยลง เอฟเฟกต์การหักเหแสงน้อยลง ความเสถียรมากขึ้น
ในช่วงแรก โมดูเลเตอร์ LNOI มักแสดงจุดเบี่ยงเบนของไบอัส ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการสะสมของประจุที่เกิดจากข้อบกพร่องที่อินเทอร์เฟซท่อนำคลื่น หากไม่ได้รับการแก้ไข อุปกรณ์เหล่านี้อาจใช้เวลานานถึงหนึ่งวันจึงจะเสถียร อย่างไรก็ตาม มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เช่น การใช้โลหะออกไซด์หุ้ม โพลาไรเซชันของสารตั้งต้น และการอบ ทำให้สามารถจัดการปัญหานี้ได้เป็นส่วนใหญ่ในปัจจุบัน
ในทางตรงกันข้าม LTOI มีข้อบกพร่องของวัสดุที่น้อยกว่า ทำให้ปรากฏการณ์ดริฟท์ลดลงอย่างมาก แม้จะไม่มีการประมวลผลเพิ่มเติม จุดทำงานก็ยังคงค่อนข้างเสถียร EPFL, Harvard และ Zhejiang University รายงานผลลัพธ์ที่คล้ายกัน อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบมักใช้ตัวปรับเปลี่ยน LNOI ที่ไม่ได้รับการบำบัดซึ่งอาจไม่ยุติธรรมนัก เมื่อทำการประมวลผล ประสิทธิภาพของวัสดุทั้งสองชนิดก็มักจะคล้ายคลึงกัน ความแตกต่างหลักอยู่ที่ LTOI ที่ต้องการขั้นตอนการประมวลผลเพิ่มเติมน้อยกว่า
②การหักเหแสงแบบคู่ที่ต่ำกว่า: 0.004 เทียบกับ 0.07
การหักเหแสงแบบคู่ขนานกันของลิเธียมไนโอเบต (LNOI) สูงอาจเป็นเรื่องท้าทายในบางครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการโค้งงอของท่อนำคลื่นอาจทำให้เกิดการจับคู่โหมดและไฮบริดิเซชันโหมด ใน LNOI แบบบาง การโค้งงอในท่อนำคลื่นสามารถแปลงแสง TE เป็นแสง TM ได้บางส่วน ทำให้การผลิตอุปกรณ์แบบพาสซีฟบางอย่าง เช่น ฟิลเตอร์ มีความซับซ้อนมากขึ้น
ด้วย LTOI การหักเหแสงแบบคู่ที่ต่ำกว่าจะช่วยขจัดปัญหานี้ได้ ทำให้การพัฒนาอุปกรณ์พาสซีฟประสิทธิภาพสูงทำได้ง่ายขึ้น EPFL ยังรายงานผลลัพธ์ที่โดดเด่นอีกด้วย โดยใช้ประโยชน์จากการหักเหแสงแบบคู่ที่ต่ำของ LTOI และการไม่มีการครอสโหมดเพื่อให้ได้การสร้างหวีความถี่อิเล็กโทรออปติกแบบสเปกตรัมกว้างพิเศษพร้อมการควบคุมการกระจายแบบแบนในช่วงสเปกตรัมที่กว้าง ส่งผลให้มีแบนด์วิดท์หวี 450 นาโนเมตรที่น่าประทับใจด้วยเส้นหวีมากกว่า 2,000 เส้น ซึ่งมากกว่าที่สามารถทำได้ด้วยลิเธียมไนโอเบตหลายเท่า เมื่อเปรียบเทียบกับหวีความถี่ออปติก Kerr แล้ว หวีอิเล็กโทรออปติกมีข้อได้เปรียบคือไม่มีขีดจำกัดและเสถียรกว่า แม้ว่าจะต้องใช้ไมโครเวฟที่มีกำลังไฟสูงก็ตาม
③เกณฑ์ความเสียหายทางแสงที่สูงขึ้น
เกณฑ์ความเสียหายทางแสงของ LTOI มีค่าเป็นสองเท่าของ LNOI ซึ่งให้ข้อได้เปรียบในแอปพลิเคชันที่ไม่เป็นเชิงเส้น (และแอปพลิเคชัน Coherent Perfect Absorption (CPO)) ในอนาคต ระดับพลังงานของโมดูลออปติกในปัจจุบันไม่น่าจะสร้างความเสียหายให้กับลิเธียมไนโอเบตได้
④เอฟเฟกต์รามานต่ำ
สิ่งนี้ยังเกี่ยวข้องกับแอปพลิเคชันที่ไม่เป็นเชิงเส้น ลิเธียมไนโอเบตมีเอฟเฟกต์รามานที่แข็งแกร่ง ซึ่งในแอปพลิเคชันหวีความถี่ออปติก Kerr อาจนำไปสู่การสร้างแสงรามานที่ไม่ต้องการและได้การแข่งขัน ทำให้หวีความถี่ออปติกลิเธียมไนโอเบตแบบ x-cut ไม่สามารถไปถึงสถานะโซลิตันได้ ด้วย LTOI สามารถระงับเอฟเฟกต์รามานได้ผ่านการออกแบบการวางแนวคริสตัล ทำให้ LTOI แบบ x-cut สามารถสร้างหวีความถี่ออปติกแบบโซลิตันได้ ซึ่งช่วยให้สามารถผสานรวมหวีความถี่ออปติกแบบโซลิตันกับตัวปรับความถี่ความเร็วสูงได้ ซึ่งเป็นความสำเร็จที่ไม่สามารถทำได้ด้วย LNOI
◆ เหตุใดจึงไม่กล่าวถึงลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) ก่อนหน้านี้
ลิเธียมแทนทาเลตมีอุณหภูมิคูรีต่ำกว่าลิเธียมไนโอเบต (610°C เทียบกับ 1157°C) ก่อนที่จะมีการพัฒนาเทคโนโลยีเฮเทอโรอินทิเกรชั่น (XOI) โมดูเลเตอร์ลิเธียมไนโอเบตถูกผลิตขึ้นโดยใช้การแพร่กระจายไททาเนียม ซึ่งต้องอบที่อุณหภูมิมากกว่า 1,000°C ทำให้ LTOI ไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ด้วยการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันไปสู่การใช้สารตั้งต้นฉนวนและการกัดท่อนำคลื่นสำหรับการสร้างโมดูเลเตอร์ อุณหภูมิคูรี 610°C ก็เพียงพอเกินพอแล้ว
◆ ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) จะมาแทนที่ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (TFLN) ได้หรือไม่?
จากการวิจัยปัจจุบัน LTOI มีข้อได้เปรียบในด้านประสิทธิภาพการทำงานแบบพาสซีฟ ความเสถียร และต้นทุนการผลิตขนาดใหญ่ โดยไม่มีข้อเสียที่เห็นได้ชัด อย่างไรก็ตาม LTOI ไม่สามารถแซงหน้าลิเธียมไนโอเบตในด้านประสิทธิภาพการมอดูเลต และปัญหาความเสถียรของ LNOI ก็มีทางแก้ไขที่ทราบกันดีอยู่แล้ว สำหรับโมดูล DR การสื่อสาร ความต้องการส่วนประกอบแบบพาสซีฟมีน้อยมาก (และสามารถใช้ซิลิกอนไนไตรด์ได้หากจำเป็น) นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องมีการลงทุนใหม่เพื่อสร้างกระบวนการกัดระดับเวเฟอร์ เทคนิคเฮเทอโรอินทิเกรชั่น และการทดสอบความน่าเชื่อถือขึ้นมาใหม่ (ความยากลำบากในการกัดลิเธียมไนโอเบตไม่ได้อยู่ที่ท่อนำคลื่นแต่เป็นการบรรลุการกัดระดับเวเฟอร์ที่ให้ผลผลิตสูง) ดังนั้น เพื่อแข่งขันกับตำแหน่งที่เป็นที่ยอมรับของลิเธียมไนโอเบต LTOI อาจต้องค้นพบข้อได้เปรียบเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม ในเชิงวิชาการ LTOI มีศักยภาพในการวิจัยที่สำคัญสำหรับระบบบนชิปแบบบูรณาการ เช่น หวีอิเล็กโทรออปติกแบบขยายอ็อกเทฟ PPLT อุปกรณ์แบ่งความยาวคลื่นโซลิตอนและ AWG และมอดูเลเตอร์อาร์เรย์
เวลาโพสต์: 08-11-2024