تُعدّ مادة تانتالات الليثيوم الرقيقة (LTOI) قوةً جديدةً بارزةً في مجال البصريات المتكاملة. وقد نُشرت هذا العام عدة دراساتٍ متقدمةٍ حول مُعدِّلات LTOI، حيثُ قدّم البروفيسور شين أو من معهد شنغهاي لأنظمة المعلومات الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات رقائق LTOI عالية الجودة، وطوّر فريق البروفيسور كيپنبرغ في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) عمليات حفرٍ عالية الجودة للموجّهات الضوئية. وقد أثمرت جهودهم التعاونية نتائجَ باهرة. إضافةً إلى ذلك، نشرت فرقٌ بحثيةٌ من جامعة تشجيانغ بقيادة البروفيسور ليو ليو وجامعة هارفارد بقيادة البروفيسور لونكار تقاريرَ عن مُعدِّلات LTOI عالية السرعة والاستقرار.
باعتبارها مادةً قريبة الصلة بطبقة رقيقة من نيوبات الليثيوم (LNOI)، تحتفظ مادة LTOI بخصائص التعديل عالي السرعة والفقد المنخفض لنيوبات الليثيوم، مع توفير مزايا إضافية مثل التكلفة المنخفضة، وانخفاض الانكسار المزدوج، وتقليل تأثيرات الانكسار الضوئي. ويرد أدناه مقارنة بين الخصائص الرئيسية للمادتين.
◆ أوجه التشابه بين تانتالات الليثيوم (LTOI) ونيوبات الليثيوم (LNOI)
①معامل الانكسار:2.12 مقابل 2.21
هذا يعني أن أبعاد الموجه أحادية النمط، ونصف قطر الانحناء، وأحجام الأجهزة السلبية الشائعة المصنوعة من كلا المادتين متشابهة للغاية، كما أن أداء اقتران الألياف متقارب أيضًا. مع عملية حفر جيدة للموجه، يمكن لكلا المادتين تحقيق فقد إدخال يبلغ<0.1 ديسيبل/سم. تشير تقارير EPFL إلى فقدان في الدليل الموجي قدره 5.6 ديسيبل/م.
٢معامل الكهروضوئية:30.5 بيكومتر/فولت مقابل 30.9 بيكومتر/فولت
تتشابه كفاءة التعديل في كلا المادتين، حيث يعتمد التعديل على تأثير بوكلز، مما يسمح بعرض نطاق ترددي عالٍ. حاليًا، تستطيع مُعدِّلات LTOI تحقيق أداء يصل إلى 400 جيجابت في الثانية لكل مسار، مع عرض نطاق ترددي يتجاوز 110 جيجاهرتز.
③فجوة النطاق:3.93 إلكترون فولت مقابل 3.78 إلكترون فولت
تتمتع كلتا المادتين بنافذة شفافة واسعة، مما يدعم التطبيقات من الأطوال الموجية المرئية إلى الأشعة تحت الحمراء، دون أي امتصاص في نطاقات الاتصالات.
④معامل اللاخطية من الدرجة الثانية (d33):21 بيكومتر/فولت مقابل 27 بيكومتر/فولت
إذا تم استخدامها في التطبيقات غير الخطية مثل توليد التوافقي الثاني (SHG) أو توليد تردد الفرق (DFG) أو توليد تردد المجموع (SFG)، فيجب أن تكون كفاءات التحويل للمادتين متشابهة تمامًا.
◆ ميزة التكلفة لـ LTOI مقابل LNOI
①انخفاض تكلفة تحضير الرقاقات
تتطلب تقنية LNOI زرع أيونات الهيليوم لفصل الطبقات، وهي تقنية ذات كفاءة تأين منخفضة. في المقابل، تستخدم تقنية LTOI زرع أيونات الهيدروجين للفصل، على غرار تقنية SOI، ولكن بكفاءة فصل أعلى بأكثر من عشرة أضعاف من تقنية LNOI. ينتج عن ذلك فرق كبير في السعر لرقائق السيليكون مقاس 6 بوصات: 300 دولار مقابل 2000 دولار، أي بانخفاض في التكلفة بنسبة 85%.
٢وهو يستخدم بالفعل على نطاق واسع في سوق الإلكترونيات الاستهلاكية لمرشحات الصوت(750,000 وحدة سنوياً، تستخدمها شركات سامسونج، وأبل، وسوني، وما إلى ذلك).
◆ مزايا أداء LTOI مقابل LNOI
①عيوب أقل في المواد، تأثير انكساري ضوئي أضعف، استقرار أكبر
في البداية، كانت مُعدِّلات LNOI تُظهر غالبًا انحرافًا في نقطة الانحياز، ويعود ذلك أساسًا إلى تراكم الشحنات الناتج عن العيوب عند سطح التلامس بين الموجه الضوئية والسطح الموجي. وإذا لم تُعالج هذه المشكلة، فقد تستغرق هذه الأجهزة يومًا كاملًا حتى تستقر. ومع ذلك، طُوِّرت طرقٌ عديدة لمعالجة هذه المشكلة، مثل استخدام غلاف أكسيد معدني، واستقطاب الركيزة، والتلدين، مما جعل هذه المشكلة قابلةً للإدارة إلى حد كبير الآن.
على النقيض من ذلك، يتميز LTOI بقلة عيوب المواد، مما يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في ظاهرة الانحراف. وحتى بدون معالجة إضافية، تظل نقطة تشغيله مستقرة نسبيًا. وقد أبلغت جامعات مثل EPFL وهارفارد وتشجيانغ عن نتائج مماثلة. مع ذلك، غالبًا ما تستخدم المقارنة مُعدِّلات LNOI غير المعالجة، وهو ما قد لا يكون عادلاً تمامًا؛ فمع المعالجة، من المرجح أن يكون أداء المادتين متقاربًا. ويكمن الاختلاف الرئيسي في أن LTOI يتطلب خطوات معالجة إضافية أقل.
٢انخفاض الانكسار المزدوج: 0.004 مقابل 0.07
قد يُمثل الانكسار المزدوج العالي لنيوبات الليثيوم (LNOI) تحديًا في بعض الأحيان، لا سيما أن انحناءات الدليل الموجي قد تُسبب اقتران الأنماط وتهجينها. في طبقات LNOI الرقيقة، يُمكن أن يُحوّل انحناء الدليل الموجي جزئيًا ضوء TE إلى ضوء TM، مما يُعقّد تصنيع بعض الأجهزة السلبية، مثل المرشحات.
بفضل مادة LTOI، يُزيل الانكسار المزدوج المنخفض هذه المشكلة، مما يُسهّل تطوير أجهزة سلبية عالية الأداء. وقد حقق معهد EPFL نتائج ملحوظة، مستفيدًا من الانكسار المزدوج المنخفض لمادة LTOI وانعدام تقاطع الأنماط، لتوليد مشط تردد كهروضوئي واسع النطاق للغاية مع تحكم دقيق في التشتت عبر نطاق طيفي واسع. وقد أسفر ذلك عن عرض نطاق ترددي مذهل يبلغ 450 نانومترًا مع أكثر من 2000 خط مشط، أي أكبر بعدة مرات مما يُمكن تحقيقه باستخدام نيوبات الليثيوم. وبالمقارنة مع أمشاط التردد الضوئية من نوع كير، تتميز الأمشاط الكهروضوئية بعدم وجود عتبة تشغيل، فضلًا عن كونها أكثر استقرارًا، على الرغم من أنها تتطلب مدخلات ميكروويف عالية الطاقة.
③عتبة أعلى للتلف البصري
يُعدّ عتبة التلف البصري لـ LTOI ضعف عتبة LNOI، مما يوفر ميزة في التطبيقات غير الخطية (وربما في تطبيقات الامتصاص المثالي المتماسك (CPO) المستقبلية). ومن غير المرجح أن تتسبب مستويات الطاقة الحالية للوحدات البصرية في إتلاف نيوبات الليثيوم.
④تأثير رامان المنخفض
ينطبق هذا أيضًا على التطبيقات غير الخطية. يتميز نيوبات الليثيوم بتأثير رامان قوي، والذي قد يؤدي في تطبيقات مشط التردد البصري كير إلى توليد ضوء رامان غير مرغوب فيه وتنافس في الكسب، مما يمنع أمشاط التردد البصري المصنوعة من نيوبات الليثيوم ذات القطع x من الوصول إلى حالة السوليتون. مع تقنية LTOI، يمكن كبح تأثير رامان من خلال تصميم اتجاه البلورة، مما يسمح لتقنية LTOI ذات القطع x بتحقيق توليد مشط التردد البصري سوليتون. وهذا يُمكّن من دمج أمشاط التردد البصري سوليتون بشكل متكامل مع مُعدِّلات عالية السرعة، وهو إنجاز غير ممكن مع تقنية LNOI.
◆ لماذا لم يتم ذكر تانتالات الليثيوم الرقيقة (LTOI) سابقًا؟
يتميز تانتالات الليثيوم بدرجة حرارة كوري أقل من نيوبات الليثيوم (610 درجة مئوية مقابل 1157 درجة مئوية). قبل تطوير تقنية التكامل غير المتجانس (XOI)، كانت مُعدِّلات نيوبات الليثيوم تُصنَّع باستخدام نشر التيتانيوم، الأمر الذي يتطلب تلدينًا عند درجة حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية، مما يجعل تقنية LTOI غير مناسبة. مع ذلك، ومع التوجه الحالي نحو استخدام ركائز عازلة وحفر الموجهات لتشكيل المُعدِّلات، فإن درجة حرارة كوري البالغة 610 درجة مئوية تُعد كافية تمامًا.
◆ هل سيحل تانتالات الليثيوم الرقيق (LTOI) محل نيوبات الليثيوم الرقيق (TFLN)؟
استنادًا إلى الأبحاث الحالية، يوفر أكسيد الليثيوم والنيوبيوم المعزول (LTOI) مزايا في الأداء السلبي والاستقرار وتكلفة الإنتاج على نطاق واسع، دون أي عيوب واضحة. مع ذلك، لا يتفوق LTOI على نيوبات الليثيوم في أداء التعديل، كما أن مشاكل الاستقرار المتعلقة بـ LNOI لها حلول معروفة. بالنسبة لوحدات الاتصالات الرقمية، هناك طلب ضئيل على المكونات السلبية (ويمكن استخدام نتريد السيليكون عند الحاجة). بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى استثمارات جديدة لإعادة تأسيس عمليات الحفر على مستوى الرقاقة، وتقنيات التكامل غير المتجانس، واختبار الموثوقية (لم تكن صعوبة حفر نيوبات الليثيوم تكمن في الدليل الموجي، بل في تحقيق حفر عالي الإنتاجية على مستوى الرقاقة). لذلك، لمنافسة مكانة نيوبات الليثيوم الراسخة، قد يحتاج LTOI إلى اكتشاف مزايا إضافية. على الصعيد الأكاديمي، يوفر LTOI إمكانات بحثية كبيرة للأنظمة المتكاملة على الرقاقة، مثل الأمشاط الكهروضوئية ذات النطاق الترددي الواسع، وPPLT، وأجهزة تقسيم الطول الموجي من نوع السوليتون وAWG، ومعدلات المصفوفة.
تاريخ النشر: 8 نوفمبر 2024