تنتاليات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة (LTOI): المادة النجمية التالية لمعدلات السرعة العالية؟

تبرز مادة تنتاليات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة (LTOI) كقوة جديدة مهمة في مجال البصريات المتكاملة. هذا العام، تم نشر العديد من الأعمال رفيعة المستوى حول مُعدِّلات LTOI، مع رقائق LTOI عالية الجودة المقدمة من البروفيسور شين أو من معهد شنغهاي للأنظمة الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات، وعمليات حفر الدليل الموجي عالية الجودة التي طورتها مجموعة البروفيسور كيبينبيرج في EPFL ، سويسرا. وقد أظهرت جهودهم التعاونية نتائج مثيرة للإعجاب. بالإضافة إلى ذلك، أبلغت فرق البحث من جامعة تشجيانغ بقيادة البروفيسور ليو ليو وجامعة هارفارد بقيادة البروفيسور لونكار أيضًا عن مُعدِّلات LTOI عالية السرعة وعالية الاستقرار.

باعتبارها قريبة من نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة (LNOI)، تحتفظ LTOI بالتشكيل عالي السرعة وخصائص الفقد المنخفض لنيوبات الليثيوم بينما تقدم أيضًا مزايا مثل التكلفة المنخفضة، وانخفاض الانكسار المزدوج، وانخفاض تأثيرات الانكسار الضوئي. وترد أدناه مقارنة بين الخصائص الرئيسية للمادتين.

الصورة_20241106164015

◆ أوجه التشابه بين تنتاليت الليثيوم (LTOI) ونيوبات الليثيوم (LNOI)
معامل الانكسار:2.12 مقابل 2.21
وهذا يعني أن أبعاد الدليل الموجي أحادي الوضع، ونصف قطر الانحناء، وأحجام الأجهزة السلبية الشائعة المستندة إلى كلتا المادتين متشابهة جدًا، كما أن أداء اقتران الألياف الخاص بها قابل للمقارنة أيضًا. مع النقش الجيد للدليل الموجي، يمكن لكل من المادتين تحقيق خسارة في الإدراج قدرها<0.1 ديسيبل/سم. أبلغ EPFL عن خسارة في الدليل الموجي قدرها 5.6 ​​ديسيبل/م.

معامل الكهروضوئية:30.5 مساءً/V مقابل 30.9 مساءً/V
كفاءة التعديل قابلة للمقارنة لكلا المادتين، مع تعديل يعتمد على تأثير Pockels، مما يسمح بعرض نطاق ترددي عالٍ. حاليًا، تستطيع مُعدِّلات LTOI تحقيق أداء يصل إلى 400 جيجا هرتز لكل حارة، مع عرض نطاق ترددي يتجاوز 110 جيجا هرتز.

صورة_20241106164942
الصورة_20241106165200

فجوة الحزمة:3.93 فولت مقابل 3.78 فولت
تحتوي كلتا المادتين على نافذة شفافة واسعة، تدعم التطبيقات من الأطوال الموجية المرئية إلى الأشعة تحت الحمراء، مع عدم وجود امتصاص في نطاقات الاتصال.

المعامل غير الخطي من الدرجة الثانية (d33):21 مساءً/الخامس مقابل 27 مساءً/الخامس
إذا تم استخدامه للتطبيقات غير الخطية مثل الجيل التوافقي الثاني (SHG)، أو توليد تردد الفرق (DFG)، أو توليد مجموع التردد (SFG)، فيجب أن تكون كفاءة التحويل للمادتين متشابهة تمامًا.

◆ ميزة التكلفة لـ LTOI مقابل LNOI
انخفاض تكلفة تحضير الويفر
يتطلب LNOI زرع أيون He لفصل الطبقة، وهو ما يتميز بكفاءة تأين منخفضة. في المقابل، يستخدم LTOI غرس أيون H للفصل، على غرار SOI، مع كفاءة تفريغ أعلى بـ 10 مرات من LNOI. يؤدي هذا إلى فرق كبير في سعر الرقاقات مقاس 6 بوصات: 300 دولار مقابل 2000 دولار، أي انخفاض في التكلفة بنسبة 85%.

الصورة_20241106165545

يتم استخدامه بالفعل على نطاق واسع في سوق الإلكترونيات الاستهلاكية للمرشحات الصوتية(750.000 وحدة سنويًا، تستخدمها شركات Samsung وApple وSony وغيرها).

الصورة_20241106165539

◆ مزايا أداء LTOI مقابل LNOI
عيوب أقل في المواد، وتأثير انكسار ضوئي أضعف، وثبات أكبر
في البداية، غالبًا ما أظهرت مُعدِّلات LNOI انحرافًا في نقطة التحيز، ويرجع ذلك أساسًا إلى تراكم الشحنة الناتج عن العيوب في واجهة الدليل الموجي. إذا لم يتم علاجها، فقد تستغرق هذه الأجهزة ما يصل إلى يوم حتى تستقر. ومع ذلك، تم تطوير طرق مختلفة لمعالجة هذه المشكلة، مثل استخدام تكسية أكسيد المعدن، واستقطاب الركيزة، والتليين، مما يجعل هذه المشكلة قابلة للإدارة إلى حد كبير الآن.
في المقابل، LTOI لديه عدد أقل من العيوب المادية، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في ظاهرة الانجراف. حتى بدون معالجة إضافية، تظل نقطة التشغيل مستقرة نسبيًا. وقد تم الإبلاغ عن نتائج مماثلة من قبل EPFL، وجامعة هارفارد، وجامعة تشجيانغ. ومع ذلك، غالبًا ما تستخدم المقارنة مُعدِّلات LNOI غير المعالجة، والتي قد لا تكون عادلة تمامًا؛ مع المعالجة، من المحتمل أن يكون أداء كلتا المادتين مشابهًا. يكمن الاختلاف الرئيسي في أن LTOI يتطلب خطوات معالجة إضافية أقل.

الصورة_20241106165708

انخفاض الانكسار: 0.004 مقابل 0.07
يمكن أن يكون الانكسار العالي لنيوبات الليثيوم (LNOI) أمرًا صعبًا في بعض الأحيان، خاصة وأن انحناءات الدليل الموجي يمكن أن تسبب اقتران الوضع وتهجين الوضع. في LNOI الرقيق، يمكن أن يؤدي الانحناء في الدليل الموجي إلى تحويل ضوء TE جزئيًا إلى ضوء TM، مما يعقد تصنيع بعض الأجهزة المنفعلة، مثل المرشحات.
مع LTOI، يؤدي الانكسار المزدوج المنخفض إلى التخلص من هذه المشكلة، مما قد يسهل تطوير أجهزة سلبية عالية الأداء. أبلغت EPFL أيضًا عن نتائج ملحوظة، مستفيدة من الانكسار المزدوج المنخفض لـ LTOI وغياب تقاطع الوضع لتحقيق توليد مشط تردد كهروضوئي واسع النطاق للغاية مع التحكم في التشتت المسطح عبر نطاق طيفي واسع. أدى ذلك إلى عرض نطاق ترددي مشط مثير للإعجاب يبلغ 450 نانومتر مع أكثر من 2000 خط مشط، وهو أكبر بعدة مرات مما يمكن تحقيقه باستخدام نيوبات الليثيوم. بالمقارنة مع أمشاط التردد الضوئية من شركة Kerr، توفر الأمشاط الكهروضوئية ميزة كونها خالية من العتبات وأكثر استقرارًا، على الرغم من أنها تتطلب مدخلات ميكروويف عالية الطاقة.

الصورة_20241106165804
صورة_20241106165823

عتبة الضرر البصري الأعلى
عتبة الضرر البصري لـ LTOI هي ضعف عتبة LNOI، مما يوفر ميزة في التطبيقات غير الخطية (وربما تطبيقات الامتصاص المثالي المتماسك (CPO) المستقبلية). من غير المرجح أن تؤدي مستويات طاقة الوحدة الضوئية الحالية إلى إتلاف نيوبات الليثيوم.
تأثير رامان المنخفض
وهذا ينطبق أيضًا على التطبيقات غير الخطية. نيوبات الليثيوم له تأثير رامان قوي، والذي في تطبيقات مشط التردد البصري من كير يمكن أن يؤدي إلى توليد ضوء رامان غير المرغوب فيه واكتساب المنافسة، مما يمنع أمشاط التردد البصري نيوبات الليثيوم المقطوعة على شكل x من الوصول إلى حالة سوليتون. باستخدام LTOI، يمكن قمع تأثير Raman من خلال تصميم الاتجاه البلوري، مما يسمح لـ LTOI المقطوع على شكل x بتحقيق توليد مشط التردد البصري soliton. وهذا يتيح التكامل المتجانس لأمشاط التردد الضوئية المنعزلة مع المغيرات عالية السرعة، وهو إنجاز لا يمكن تحقيقه باستخدام LNOI.
◆ لماذا لم يتم ذكر تنتاليت الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة (LTOI) سابقًا؟
تتمتع تنتالات الليثيوم بدرجة حرارة كوري أقل من نيوبات الليثيوم (610 درجة مئوية مقابل 1157 درجة مئوية). قبل تطوير تقنية التكامل المتغاير (XOI)، تم تصنيع مُعدِّلات نيوبات الليثيوم باستخدام انتشار التيتانيوم، الأمر الذي يتطلب التلدين عند درجة حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية، مما يجعل LTOI غير مناسب. ومع ذلك، مع التحول اليوم نحو استخدام ركائز عازلة وحفر الدليل الموجي لتشكيل المغير، فإن درجة حرارة كوري 610 درجة مئوية أكثر من كافية.
◆ هل ستحل تنتاليت الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة (LTOI) محل نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة (TFLN)؟
استنادًا إلى الأبحاث الحالية، يوفر LTOI مزايا في الأداء السلبي والاستقرار وتكلفة الإنتاج على نطاق واسع، دون أي عيوب واضحة. ومع ذلك، لا يتفوق LTOI على نيوبات الليثيوم في أداء التشكيل، كما أن مشكلات الاستقرار مع LNOI لها حلول معروفة. بالنسبة لوحدات الاتصالات DR، هناك حد أدنى من الطلب على المكونات السلبية (ويمكن استخدام نيتريد السيليكون إذا لزم الأمر). بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى استثمارات جديدة لإعادة إنشاء عمليات النقش على مستوى الرقاقة، وتقنيات التكامل المتغاير، واختبار الموثوقية (لم تكن صعوبة النقش على نيوبات الليثيوم في الدليل الموجي، بل في تحقيق النقش على مستوى الرقاقة عالي الإنتاجية). لذلك، للتنافس مع الموقع الراسخ لنيوبات الليثيوم، قد تحتاج LTOI إلى الكشف عن المزيد من المزايا. ومع ذلك، من الناحية الأكاديمية، يوفر LTOI إمكانات بحثية كبيرة للأنظمة المدمجة على الرقاقة، مثل الأمشاط الكهربائية الضوئية الممتدة على الأوكتاف، وأجهزة PPLT، وsoliton، وAWG لتقسيم الطول الموجي، ومغيرات المصفوفة.


وقت النشر: 08 نوفمبر 2024