วัสดุลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) กำลังก้าวขึ้นมาเป็นกำลังสำคัญใหม่ในวงการออปติกส์แบบบูรณาการ ในปีนี้ มีการเผยแพร่งานวิจัยระดับสูงเกี่ยวกับโมดูเลเตอร์ LTOI หลายชิ้น ซึ่งประกอบไปด้วยเวเฟอร์ LTOI คุณภาพสูงที่จัดหาโดยศาสตราจารย์ซิน โอว จากสถาบันไมโครซิสเต็มและเทคโนโลยีสารสนเทศเซี่ยงไฮ้ และกระบวนการกัดผิวท่อนำคลื่นคุณภาพสูงที่พัฒนาโดยกลุ่มของศาสตราจารย์คิปเพนเบิร์กที่ EPFL ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ความร่วมมือของพวกเขาได้แสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ นอกจากนี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเจ้อเจียง นำโดยศาสตราจารย์หลิว หลิว และมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด นำโดยศาสตราจารย์ลอนคาร์ ยังได้รายงานเกี่ยวกับโมดูเลเตอร์ LTOI ความเร็วสูงและเสถียรภาพสูงอีกด้วย
เนื่องจากเป็นญาติใกล้ชิดของลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LNOI) LTOI จึงยังคงคุณสมบัติการมอดูเลตความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำของลิเธียมไนโอเบตไว้ ในขณะเดียวกันก็มีข้อได้เปรียบ เช่น ต้นทุนต่ำ การหักเหแสงแบบไบรีฟริงเจนซ์ต่ำ และผลกระทบจากการหักเหแสงที่ลดลง ด้านล่างนี้คือการเปรียบเทียบคุณสมบัติหลักของวัสดุทั้งสองชนิด
◆ ความคล้ายคลึงกันระหว่างลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) และลิเธียมไนโอเบต (LNOI)
①ดัชนีหักเหแสง:2.12 เทียบกับ 2.21
นั่นหมายความว่าขนาดของท่อนำคลื่นแบบโหมดเดี่ยว รัศมีการโค้งงอ และขนาดอุปกรณ์พาสซีฟทั่วไปที่ใช้วัสดุทั้งสองชนิดมีความคล้ายคลึงกันมาก และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อไฟเบอร์ก็ใกล้เคียงกันเช่นกัน ด้วยการกัดกร่อนท่อนำคลื่นที่ดี วัสดุทั้งสองชนิดสามารถลดการสูญเสียการแทรกได้<0.1 dB/cm EPFL รายงานการสูญเสียคลื่นนำทางที่ 5.6 dB/m
②ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติก:30.5 น./ชม. เทียบกับ 30.9 น./ชม.
ประสิทธิภาพการมอดูเลตเทียบเคียงได้กับวัสดุทั้งสองชนิด โดยการมอดูเลตอิงตามปรากฏการณ์พ็อคเคิลส์ ช่วยให้แบนด์วิดท์สูง ปัจจุบัน ตัวมอดูเลเตอร์ LTOI มีประสิทธิภาพ 400G ต่อเลน ด้วยแบนด์วิดท์ที่มากกว่า 110 GHz
③แบนด์แก๊ป:3.93 eV เทียบกับ 3.78 eV
วัสดุทั้งสองชนิดมีหน้าต่างโปร่งใสขนาดกว้าง รองรับการใช้งานตั้งแต่ความยาวคลื่นที่มองเห็นไปจนถึงอินฟราเรด โดยไม่มีการดูดซับในแบนด์การสื่อสาร
④ค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นลำดับที่สอง (d33):21.00 น./ศุกร์ เทียบกับ 27.00 น./ศุกร์
หากใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่ไม่เชิงเส้น เช่น การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง (SHG) การสร้างความถี่ต่างกัน (DFG) หรือการสร้างความถี่ผลรวม (SFG) ประสิทธิภาพการแปลงของวัสดุทั้งสองควรจะใกล้เคียงกันมาก
◆ ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนของ LTOI เทียบกับ LNOI
①ต้นทุนการเตรียมเวเฟอร์ที่ต่ำลง
LNOI จำเป็นต้องฝังไอออนฮีเลียมเพื่อแยกชั้น ซึ่งมีประสิทธิภาพการแตกตัวต่ำ ในทางตรงกันข้าม LTOI ใช้การฝังไอออนไฮโดรเจนเพื่อแยกชั้น เช่นเดียวกับ SOI ซึ่งมีประสิทธิภาพการแยกชั้นสูงกว่า LNOI ถึง 10 เท่า ส่งผลให้เวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วมีราคาแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ คือ 300 ดอลลาร์สหรัฐ เทียบกับ 2,000 ดอลลาร์สหรัฐ ซึ่งลดต้นทุนได้ 85%
②มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภคสำหรับตัวกรองเสียงแล้ว(750,000 หน่วยต่อปี ใช้โดย Samsung, Apple, Sony ฯลฯ)
◆ ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของ LTOI เมื่อเทียบกับ LNOI
①ข้อบกพร่องของวัสดุน้อยลง ผลการหักเหแสงลดลง มีเสถียรภาพมากขึ้น
ในช่วงแรก ตัวปรับสัญญาณ LNOI มักแสดงอาการจุดไบแอสดริฟท์ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการสะสมประจุที่เกิดจากข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานท่อนำคลื่น หากไม่ได้รับการแก้ไข อุปกรณ์เหล่านี้อาจใช้เวลานานถึงหนึ่งวันจึงจะเสถียร อย่างไรก็ตาม มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เช่น การใช้โลหะออกไซด์หุ้ม การโพลาไรเซชันของสารตั้งต้น และการอบอ่อน ทำให้ปัญหานี้สามารถจัดการได้ในระดับหนึ่งแล้ว
ในทางตรงกันข้าม LTOI มีข้อบกพร่องของวัสดุน้อยกว่า ส่งผลให้ปรากฏการณ์ดริฟท์ลดลงอย่างมาก แม้จะไม่มีการประมวลผลเพิ่มเติม จุดทำงานก็ยังคงค่อนข้างเสถียร EPFL, Harvard และมหาวิทยาลัยเจ้อเจียงได้รายงานผลที่คล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบนี้มักใช้ตัวปรับ LNOI ที่ไม่ผ่านกระบวนการ ซึ่งอาจไม่ยุติธรรมนัก เมื่อผ่านกระบวนการแล้ว ประสิทธิภาพของวัสดุทั้งสองชนิดน่าจะใกล้เคียงกัน ความแตกต่างหลักอยู่ที่ LTOI ที่ต้องการขั้นตอนการประมวลผลเพิ่มเติมน้อยกว่า
②ค่าการหักเหแสงแบบคู่ที่ต่ำกว่า: 0.004 เทียบกับ 0.07
การหักเหคู่กันสูงของลิเธียมไนโอเบต (LNOI) อาจสร้างความท้าทายในบางครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อส่วนโค้งของท่อนำคลื่นสามารถทำให้เกิดการจับคู่โหมดและไฮบริดไดเซชันโหมดได้ ใน LNOI แบบบาง ส่วนโค้งของท่อนำคลื่นสามารถแปลงแสง TE เป็นแสง TM ได้บางส่วน ทำให้การผลิตอุปกรณ์แบบพาสซีฟบางชนิด เช่น ฟิลเตอร์ มีความซับซ้อนมากขึ้น
ด้วย LTOI ค่าการหักเหแสงแบบไบรีฟริงเจนซ์ที่ต่ำกว่าจะช่วยขจัดปัญหานี้ ซึ่งอาจทำให้การพัฒนาอุปกรณ์แบบพาสซีฟประสิทธิภาพสูงง่ายขึ้น EPFL ยังได้รายงานผลลัพธ์ที่โดดเด่น โดยใช้ประโยชน์จากค่าการหักเหแสงแบบไบรีฟริงเจนซ์ที่ต่ำของ LTOI และการไม่มีโหมดครอสซิ่ง เพื่อให้ได้การสร้างหวีความถี่อิเล็กโทรออปติกแบบสเปกตรัมกว้างพิเศษ พร้อมการควบคุมการกระจายแบบแบนราบในช่วงสเปกตรัมที่กว้าง ส่งผลให้มีแบนด์วิดท์หวี 450 นาโนเมตรที่น่าประทับใจ โดยมีเส้นหวีมากกว่า 2,000 เส้น ซึ่งมากกว่าลิเธียมไนโอเบตหลายเท่า เมื่อเปรียบเทียบกับหวีความถี่ออปติก Kerr แล้ว หวีอิเล็กโทรออปติกมีข้อได้เปรียบคือไม่มีขีดจำกัดและมีเสถียรภาพมากกว่า แม้ว่าจะต้องใช้ไมโครเวฟกำลังสูงก็ตาม
③เกณฑ์ความเสียหายทางแสงที่สูงขึ้น
ค่าเกณฑ์ความเสียหายทางแสงของ LTOI สูงกว่า LNOI ถึงสองเท่า ซึ่งทำให้ได้เปรียบในการใช้งานแบบไม่เชิงเส้น (และอาจรวมถึงการใช้งาน Coherent Perfect Absorption (CPO)) ในอนาคต ระดับพลังงานของโมดูลออปติคัลในปัจจุบันไม่น่าจะสร้างความเสียหายให้กับลิเธียมไนโอเบต
④เอฟเฟกต์รามานต่ำ
สิ่งนี้ยังเกี่ยวข้องกับการใช้งานแบบไม่เชิงเส้น ลิเธียมไนโอเบตมีปรากฏการณ์รามานที่แข็งแกร่ง ซึ่งในการใช้งานหวีความถี่ออปติคัล Kerr อาจนำไปสู่การเกิดแสงรามานที่ไม่พึงประสงค์และทำให้เกิดการแข่งขัน ป้องกันไม่ให้หวีความถี่ออปติคัลลิเธียมไนโอเบตแบบตัด x-cut เข้าถึงสถานะโซลิตอน ด้วย LTOI เอฟเฟกต์รามานสามารถถูกยับยั้งได้ด้วยการออกแบบการวางแนวผลึก ทำให้ LTOI แบบตัด x-cut สามารถสร้างหวีความถี่ออปติคัลแบบโซลิตอนได้ ซึ่งทำให้สามารถผสานรวมหวีความถี่ออปติคัลโซลิตอนเข้ากับตัวปรับความถี่ความเร็วสูงแบบโมโนลิธิก ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ด้วย LNOI
◆ เหตุใดจึงไม่มีการกล่าวถึงลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) ก่อนหน้านี้?
ลิเธียมแทนทาเลตมีอุณหภูมิคูรีต่ำกว่าลิเธียมไนโอเบต (610°C เทียบกับ 1157°C) ก่อนการพัฒนาเทคโนโลยีเฮเทอโรอินทิเกรชัน (XOI) ตัวปรับลิเธียมไนโอเบตถูกผลิตโดยใช้ไทเทเนียมดิฟฟิวชัน ซึ่งต้องอบอ่อนที่อุณหภูมิมากกว่า 1,000°C ทำให้ LTOI ไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ด้วยการเปลี่ยนมาใช้วัสดุฉนวนและการกัดผิวท่อนำคลื่นในการสร้างตัวปรับในปัจจุบัน อุณหภูมิคูรีที่ 610°C จึงเพียงพอแล้ว
◆ ลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) จะเข้ามาแทนที่ลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (TFLN) ได้หรือไม่?
จากการวิจัยในปัจจุบัน LTOI มีข้อได้เปรียบในด้านประสิทธิภาพแบบพาสซีฟ ความเสถียร และต้นทุนการผลิตขนาดใหญ่ โดยไม่มีข้อเสียที่เห็นได้ชัด อย่างไรก็ตาม LTOI ยังไม่เหนือกว่าลิเธียมไนโอเบตในด้านประสิทธิภาพการมอดูเลต และปัญหาความเสถียรของ LNOI ก็มีทางออกที่ทราบกันดีอยู่แล้ว สำหรับโมดูล DR สำหรับการสื่อสาร มีความต้องการส่วนประกอบแบบพาสซีฟน้อยมาก (และสามารถใช้ซิลิคอนไนไตรด์ได้หากจำเป็น) นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องมีการลงทุนใหม่เพื่อสร้างกระบวนการกัดระดับเวเฟอร์ เทคนิคเฮเทอโรอินทิเกรชัน และการทดสอบความน่าเชื่อถือ (ความยากลำบากในการกัดลิเธียมไนโอเบตไม่ได้อยู่ที่ท่อนำคลื่น แต่อยู่ที่การกัดระดับเวเฟอร์ให้ได้ผลผลิตสูง) ดังนั้น เพื่อแข่งขันกับลิเธียมไนโอเบตที่มีอยู่ LTOI อาจจำเป็นต้องค้นพบข้อได้เปรียบเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม ในเชิงวิชาการ LTOI มีศักยภาพในการวิจัยที่สำคัญสำหรับระบบออนชิปแบบบูรณาการ เช่น หวีอิเล็กโทรออปติกแบบขยายอ็อกเทฟ, PPLT, อุปกรณ์แบ่งความยาวคลื่นโซลิตอนและ AWG และมอดูเลเตอร์แบบอาร์เรย์
เวลาโพสต์: 8 พ.ย. 2567