วัสดุลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) กำลังกลายเป็นกำลังสำคัญใหม่ในสาขาออปติกแบบบูรณาการ ในปีนี้ มีผลงานวิจัยระดับสูงหลายชิ้นเกี่ยวกับตัวปรับสัญญาณ LTOI ได้รับการตีพิมพ์ โดยแผ่นเวเฟอร์ LTOI คุณภาพสูงได้รับการสนับสนุนจากศาสตราจารย์ Xin Ou จากสถาบันไมโครซิสเต็มและเทคโนโลยีสารสนเทศแห่งเซี่ยงไฮ้ และกระบวนการกัดเซาะท่อนำคลื่นคุณภาพสูงได้รับการพัฒนาโดยกลุ่มของศาสตราจารย์ Kippenberg ที่ EPFL ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ ความร่วมมือของพวกเขาส่งผลให้เกิดผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ นอกจากนี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเจ้อเจียง นำโดยศาสตราจารย์ Liu Liu และมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด นำโดยศาสตราจารย์ Loncar ยังได้รายงานเกี่ยวกับตัวปรับสัญญาณ LTOI ที่มีความเร็วสูงและเสถียรภาพสูงอีกด้วย
LTOI เป็นวัสดุที่มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับลิเธียมไนโอเบตแบบฟิล์มบาง (LNOI) โดยยังคงคุณสมบัติการปรับสัญญาณความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำของลิเธียมไนโอเบตไว้ ในขณะเดียวกันก็มีข้อดีอื่นๆ เช่น ต้นทุนต่ำ การหักเหของแสงต่ำ และผลกระทบจากปรากฏการณ์โฟโตเรฟรักทีฟที่ลดลง การเปรียบเทียบคุณลักษณะหลักของวัสดุทั้งสองชนิดแสดงไว้ด้านล่าง
◆ ความคล้ายคลึงกันระหว่างลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) และลิเธียมไนโอเบต (LNOI)
①ดัชนีหักเหแสง:2.12 เทียบกับ 2.21
นี่หมายความว่า มิติของท่อนำคลื่นแบบโหมดเดี่ยว รัศมีการโค้งงอ และขนาดของอุปกรณ์พาสซีฟทั่วไปที่ใช้กับวัสดุทั้งสองชนิดนั้นคล้ายคลึงกันมาก และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อกับใยแก้วนำแสงก็เทียบเคียงกันได้เช่นกัน ด้วยการกัดเซาะท่อนำคลื่นที่ดี วัสดุทั้งสองชนิดสามารถบรรลุค่าการสูญเสียการแทรก (insertion loss) ได้<0.1 dB/cm. EPFL รายงานว่าการสูญเสียในท่อคลื่นอยู่ที่ 5.6 dB/m
②ค่าสัมประสิทธิ์อิเล็กโทรออปติก:30.5 pm/V เทียบกับ 30.9 pm/V
ประสิทธิภาพการมอดูเลชั่นของวัสดุทั้งสองชนิดนั้นใกล้เคียงกัน โดยการมอดูเลชั่นอาศัยผลของ Pockels ทำให้ได้แบนด์วิดท์สูง ปัจจุบัน ตัวมอดูเลเตอร์ LTOI สามารถทำความเร็วได้ถึง 400G ต่อเลน ด้วยแบนด์วิดท์ที่เกิน 110 GHz
③ช่องว่างระหว่างแถบ:3.93 eV เทียบกับ 3.78 eV
วัสดุทั้งสองชนิดมีช่วงความโปร่งใสที่กว้าง รองรับการใช้งานตั้งแต่ช่วงคลื่นแสงที่มองเห็นได้ไปจนถึงอินฟราเรด โดยไม่มีการดูดกลืนแสงในช่วงคลื่นการสื่อสาร
④สัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นอันดับสอง (d33):21.00 น./V เทียบกับ 27.00 น./V
หากนำไปใช้ในแอปพลิเคชันที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง (SHG) การสร้างความถี่ต่าง (DFG) หรือการสร้างความถี่รวม (SFG) ประสิทธิภาพการแปลงของวัสดุทั้งสองควรจะค่อนข้างใกล้เคียงกัน
◆ ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนของ LTOI เมื่อเทียบกับ LNOI
①ต้นทุนการเตรียมเวเฟอร์ที่ต่ำลง
LNOI ต้องใช้การฝังไอออนฮีเลียมเพื่อแยกชั้น ซึ่งมีประสิทธิภาพการแตกตัวเป็นไอออนต่ำ ในทางตรงกันข้าม LTOI ใช้การฝังไอออนไฮโดรเจนเพื่อแยกชั้น คล้ายกับ SOI โดยมีประสิทธิภาพการแยกชั้นสูงกว่า LNOI มากกว่า 10 เท่า ส่งผลให้ราคาเวเฟอร์ขนาด 6 นิ้วแตกต่างกันอย่างมาก: 300 ดอลลาร์เทียบกับ 2,000 ดอลลาร์ ซึ่งลดต้นทุนลงได้ถึง 85%
②ปัจจุบันมีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภคในด้านตัวกรองเสียง(750,000 หน่วยต่อปี ใช้โดย Samsung, Apple, Sony และอื่นๆ)
◆ ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของ LTOI เมื่อเทียบกับ LNOI
①ข้อบกพร่องของวัสดุน้อยลง ผลกระทบจากปรากฏการณ์โฟโตเรฟรักทีฟอ่อนลง เสถียรภาพมากขึ้น
ในระยะแรก อุปกรณ์ปรับสัญญาณ LNOI มักแสดงอาการจุดไบแอสเลื่อน ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการสะสมของประจุที่เกิดจากข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานของท่อนำคลื่น หากไม่ได้รับการแก้ไข อุปกรณ์เหล่านี้อาจใช้เวลาถึงหนึ่งวันกว่าจะเสถียร อย่างไรก็ตาม ได้มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เช่น การใช้สารเคลือบออกไซด์โลหะ การโพลาไรซ์ของพื้นผิว และการอบชุบ ทำให้ปัญหานี้สามารถจัดการได้ในระดับหนึ่งแล้วในปัจจุบัน
ในทางตรงกันข้าม LTOI มีข้อบกพร่องของวัสดุน้อยกว่า ส่งผลให้ปรากฏการณ์การเลื่อนลดลงอย่างมาก แม้ไม่มีการประมวลผลเพิ่มเติม จุดการทำงานของมันก็ยังคงค่อนข้างเสถียร ผลลัพธ์ที่คล้ายกันนี้ได้รับการรายงานโดย EPFL, Harvard และ Zhejiang University อย่างไรก็ตาม การเปรียบเทียบมักใช้ตัวปรับสัญญาณ LNOI ที่ไม่ผ่านการบำบัด ซึ่งอาจไม่ยุติธรรมทั้งหมด การประมวลผลแล้ว ประสิทธิภาพของวัสดุทั้งสองน่าจะคล้ายกัน ความแตกต่างหลักอยู่ที่ LTOI ต้องการขั้นตอนการประมวลผลเพิ่มเติมที่น้อยกว่า
②ค่าการหักเหสองทิศทางต่ำกว่า: 0.004 เทียบกับ 0.07
ค่าการหักเหของแสงสูงในลิเธียมไนโอเบต (LNOI) อาจเป็นปัญหาได้ในบางครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อส่วนโค้งของท่อนำคลื่นทำให้เกิดการเชื่อมต่อโหมดและการผสมผสานโหมด ใน LNOI ที่บาง ส่วนโค้งในท่อนำคลื่นอาจเปลี่ยนแสง TE เป็นแสง TM บางส่วน ทำให้การผลิตอุปกรณ์แบบพาสซีฟบางชนิด เช่น ตัวกรอง มีความซับซ้อนมากขึ้น
ด้วย LTOI ค่าการหักเหของแสงที่ต่ำกว่าจะช่วยขจัดปัญหานี้ ซึ่งอาจทำให้การพัฒนาอุปกรณ์พาสซีฟประสิทธิภาพสูงทำได้ง่ายขึ้น EPFL ยังได้รายงานผลลัพธ์ที่น่าสนใจ โดยใช้ประโยชน์จากค่าการหักเหของแสงต่ำและการไม่มีการตัดกันของโหมดของ LTOI เพื่อให้ได้การสร้างหวีความถี่แบบอิเล็กโทรออปติกที่มีช่วงสเปกตรัมกว้างเป็นพิเศษ พร้อมการควบคุมการกระจายแสงแบบราบเรียบในช่วงสเปกตรัมกว้าง ส่งผลให้ได้แบนด์วิดท์หวีความถี่ที่น่าประทับใจถึง 450 นาโนเมตร พร้อมเส้นหวีความถี่มากกว่า 2000 เส้น ซึ่งใหญ่กว่าที่ทำได้ด้วยลิเธียมไนโอเบตหลายเท่า เมื่อเทียบกับหวีความถี่แบบเคอร์ หวีความถี่แบบอิเล็กโทรออปติกมีข้อดีคือไม่มีเกณฑ์และมีความเสถียรมากกว่า แม้ว่าจะต้องใช้พลังงานไมโครเวฟสูงก็ตาม
③ขีดจำกัดความเสียหายทางแสงที่สูงขึ้น
ค่าความทนทานต่อความเสียหายทางแสงของ LTOI สูงกว่า LNOI ถึงสองเท่า ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบในการใช้งานแบบไม่เชิงเส้น (และอาจรวมถึงการใช้งาน Coherent Perfect Absorption (CPO) ในอนาคต) ระดับกำลังไฟฟ้าของโมดูลแสงในปัจจุบันไม่น่าจะทำให้ลิเธียมไนโอเบตเสียหายได้
④ผลกระทบรามานต่ำ
สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการใช้งานแบบไม่เชิงเส้นด้วยเช่นกัน ลิเธียมไนโอเบตมีปรากฏการณ์รามานที่รุนแรง ซึ่งในการใช้งานหวีความถี่แสงแบบเคอร์ อาจนำไปสู่การสร้างแสงรามานที่ไม่พึงประสงค์และการแข่งขันด้านการขยายสัญญาณ ทำให้หวีความถี่แสงลิเธียมไนโอเบตแบบตัดตามแนวแกน x ไม่สามารถเข้าถึงสถานะโซลิตอนได้ แต่ด้วย LTOI ปรากฏการณ์รามานสามารถถูกระงับได้ด้วยการออกแบบทิศทางของผลึก ทำให้ LTOI แบบตัดตามแนวแกน x สามารถสร้างหวีความถี่แสงโซลิตอนได้ ซึ่งทำให้สามารถรวมหวีความถี่แสงโซลิตอนเข้ากับตัวปรับสัญญาณความเร็วสูงได้แบบโมโนลิธิก ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำไม่ได้กับ LNOI
◆ เหตุใดจึงไม่มีการกล่าวถึงลิเธียมแทนทาเลตแบบฟิล์มบาง (LTOI) มาก่อนหน้านี้?
ลิเธียมแทนทาเลตมีอุณหภูมิคิวรีต่ำกว่าลิเธียมไนโอเบต (610°C เทียบกับ 1157°C) ก่อนการพัฒนาเทคโนโลยีการรวมสารต่างชนิด (XOI) ตัวปรับสัญญาณลิเธียมไนโอเบตผลิตโดยใช้การแพร่กระจายของไทเทเนียม ซึ่งต้องใช้การอบที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000°C ทำให้ LTOI ไม่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ด้วยการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันที่หันมาใช้พื้นผิวฉนวนและการกัดเซาะท่อนำคลื่นสำหรับการสร้างตัวปรับสัญญาณ อุณหภูมิคิวรี 610°C จึงเพียงพอแล้ว
◆ ฟิล์มบางลิเธียมแทนทาเลต (LTOI) จะมาแทนที่ฟิล์มบางลิเธียมไนโอเบต (TFLN) หรือไม่?
จากงานวิจัยในปัจจุบัน LTOI มีข้อดีในด้านประสิทธิภาพแบบพาสซีฟ ความเสถียร และต้นทุนการผลิตขนาดใหญ่ โดยไม่มีข้อเสียที่เห็นได้ชัด อย่างไรก็ตาม LTOI ไม่สามารถเอาชนะลิเธียมไนโอเบตในด้านประสิทธิภาพการมอดูเลชัน และปัญหาความเสถียรของ LNOI ก็มีวิธีแก้ไขที่ทราบกันดีอยู่แล้ว สำหรับโมดูล DR สำหรับการสื่อสาร ความต้องการส่วนประกอบแบบพาสซีฟมีน้อยมาก (และสามารถใช้ซิลิคอนไนไตรด์ได้หากจำเป็น) นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องมีการลงทุนใหม่เพื่อสร้างกระบวนการกัดเซาะระดับเวเฟอร์ เทคนิคการบูรณาการแบบเฮเทอโร และการทดสอบความน่าเชื่อถือขึ้นใหม่ (ความยากลำบากในการกัดเซาะลิเธียมไนโอเบตไม่ได้อยู่ที่ตัวนำคลื่น แต่เป็นการบรรลุผลผลิตสูงในการกัดเซาะระดับเวเฟอร์) ดังนั้น เพื่อแข่งขันกับตำแหน่งที่มั่นคงของลิเธียมไนโอเบต LTOI อาจจำเป็นต้องค้นหาข้อได้เปรียบเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม ในเชิงวิชาการ LTOI มีศักยภาพในการวิจัยอย่างมากสำหรับระบบแบบบูรณาการบนชิป เช่น หวีแสงไฟฟ้าที่ครอบคลุมช่วงอ็อกเทฟ PPLT อุปกรณ์แบ่งความยาวคลื่นโซลิตอนและ AWG และตัวมอดูเลเตอร์แบบอาร์เรย์
วันที่โพสต์: 8 พฤศจิกายน 2024