تبرز مادة تانتالات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة (LTOI) كقوة واعدة جديدة في مجال البصريات المتكاملة. هذا العام، نُشرت العديد من الأبحاث رفيعة المستوى حول مُعدّلات LTOI، حيث قدّم البروفيسور شين أو من معهد شنغهاي للأنظمة الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات رقائق LTOI عالية الجودة، بالإضافة إلى عمليات حفر عالية الجودة للموجات الموجية طوّرتها مجموعة البروفيسور كيبينبيرج في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان (EPFL) بسويسرا. وقد أظهرت جهودهم التعاونية نتائج مبهرة. بالإضافة إلى ذلك، قدّمت فرق بحثية من جامعة تشجيانغ بقيادة البروفيسور ليو ليو، وجامعة هارفارد بقيادة البروفيسور لونكار، تقارير عن مُعدّلات LTOI عالية السرعة والاستقرار.
باعتباره قريبًا من نيوبات الليثيوم الرقيق (LNOI)، يحتفظ LTOI بخصائص التعديل عالية السرعة وانخفاض الفقد التي يتميز بها نيوبات الليثيوم، مع مزايا أخرى مثل انخفاض التكلفة، وانخفاض ازدواجية الانكسار، وانخفاض تأثيرات الانكسار الضوئي. فيما يلي 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 الدليل الموجي أحادي الوضع، ونصف قطر الانحناء، وأحجام الأجهزة السلبية الشائعة لكلا المادتين متشابهة جدًا، كما أن أداء اقتران الألياف لديهما متقارب أيضًا. مع نقش جيد للدليل الموجي، يمكن لكلا المادتين تحقيق خسارة إدخال قدرها<0.1 ديسيبل/سم. أفادت EPFL عن فقدان في الموجة الموجهة بمقدار 5.6 ديسيبل/م.
②معامل الكهروضوئي:30.5 مساءً/V مقابل 30.9 مساءً/V
كفاءة التعديل متقاربة لكلا المادتين، حيث يعتمد التعديل على تأثير بوكلز، مما يسمح بعرض نطاق ترددي عالٍ. حاليًا، تستطيع مُعدّلات LTOI تحقيق أداء 400 جيجاهرتز لكل مسار، بعرض نطاق ترددي يتجاوز 110 جيجاهرتز.
③فجوة النطاق:3.93 إلكترون فولت مقابل 3.78 إلكترون فولت
تتمتع كلتا المادتين بنافذة شفافة واسعة، تدعم التطبيقات من الأطوال الموجية المرئية إلى الأشعة تحت الحمراء، دون امتصاص في نطاقات الاتصال.
④معامل غير خطي من الدرجة الثانية (d33):21 مساءً/V مقابل 27 مساءً/V
إذا تم استخدامها في تطبيقات غير خطية مثل توليد التوافقيات الثانية (SHG)، أو توليد التردد الفرقي (DFG)، أو توليد التردد المجموعي (SFG)، فيجب أن تكون كفاءة التحويل للمادتين متشابهة تمامًا.
◆ ميزة التكلفة لـ LTOI مقابل LNOI
1تكلفة تحضير الرقاقة المنخفضة
يتطلب LNOI زرع أيونات الهيليوم لفصل الطبقات، مما يُعطي كفاءة تأين منخفضة. في المقابل، يستخدم LTOI زرع أيونات الهيليوم للفصل، على غرار SOI، بكفاءة فصل طبقات أعلى بأكثر من عشرة أضعاف من LNOI. هذا يُؤدي إلى فرق كبير في السعر بين رقائق 6 بوصات: 300 دولار أمريكي و2000 دولار أمريكي، أي بانخفاض في التكلفة بنسبة 85%.
②يتم استخدامه بالفعل على نطاق واسع في سوق الإلكترونيات الاستهلاكية للمرشحات الصوتية(750,000 وحدة سنويًا، تستخدمها شركات Samsung وApple وSony وغيرها).
◆ مزايا الأداء لـ LTOI مقابل LNOI
1عيوب مادية أقل، تأثير انكسار ضوئي أضعف، استقرار أكبر
في البداية، غالبًا ما أظهرت مُعدّلات LNOI انزياحًا في نقطة الانحياز، ويعود ذلك أساسًا إلى تراكم الشحنات الناتجة عن عيوب في واجهة الدليل الموجي. في حال عدم معالجتها، قد تستغرق هذه الأجهزة يومًا كاملًا حتى تستقر. ومع ذلك، طُوّرت طرق مختلفة لمعالجة هذه المشكلة، مثل استخدام طلاء أكسيد المعدن، واستقطاب الركيزة، والتلدين، مما يجعل هذه المشكلة قابلة للحل إلى حد كبير الآن.
في المقابل، تتميز مادة LTOI بعيوب مادية أقل، مما يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في ظاهرة الانجراف. وحتى بدون معالجة إضافية، تظل نقطة تشغيلها مستقرة نسبيًا. وقد أفادت كل من EPFL وجامعة هارفارد وجامعة تشجيانغ بنتائج مماثلة. ومع ذلك، غالبًا ما تستخدم المقارنة مُعدِّلات LNOI غير معالجة، وهو ما قد لا يكون عادلًا تمامًا؛ فمع المعالجة، من المرجح أن يكون أداء كلتا المادتين متشابهًا. يكمن الاختلاف الرئيسي في أن LTOI يتطلب خطوات معالجة إضافية أقل.
②ازدواجية الانكسار المنخفضة: 0.004 مقابل 0.07
قد يُشكّل الانكسار العالي لنيوبات الليثيوم (LNOI) تحديًا في بعض الأحيان، خاصةً وأن انحناءات الدليل الموجي قد تُسبب اقتران الأنماط وتهجينها. في نيوبات الليثيوم الرقيق، يُمكن لانحناء الدليل الموجي أن يُحوّل جزئيًا ضوء TE إلى ضوء TM، مما يُعقّد تصنيع بعض الأجهزة السلبية، مثل المرشحات.
مع تقنية LTOI، يُزيل انخفاض ازدواجية الانكسار هذه المشكلة، مما يُسهّل تطوير أجهزة سلبية عالية الأداء. كما أفادت EPFL بنتائج ملحوظة، مستفيدةً من ازدواجية الانكسار المنخفضة لتقنية LTOI وغياب تقاطع الأنماط لتوليد أمشاط تردد كهروضوئية فائقة الاتساع مع تحكم مسطح في التشتت عبر نطاق طيفي واسع. وقد نتج عن ذلك عرض نطاق ترددي مذهل للمشط يبلغ 450 نانومترًا مع أكثر من 2000 خط مشط، وهو أكبر بعدة مرات مما يُمكن تحقيقه باستخدام نيوبات الليثيوم. بالمقارنة مع أمشاط التردد الضوئية Kerr، تتميز الأمشاط الكهروضوئية بكونها خالية من العتبات وأكثر استقرارًا، على الرغم من أنها تتطلب مدخل ميكروويف عالي الطاقة.
③عتبة الضرر البصري الأعلى
تبلغ عتبة الضرر البصري لـ LTOI ضعف عتبة LNOI، مما يوفر ميزة في التطبيقات غير الخطية (وربما تطبيقات الامتصاص المثالي المتماسك (CPO) المستقبلية). من غير المرجح أن تُلحق مستويات طاقة الوحدة البصرية الحالية ضررًا بنيوبات الليثيوم.
④تأثير رامان المنخفض
ينطبق هذا أيضًا على التطبيقات غير الخطية. يتميز نيوبات الليثيوم بتأثير رامان قوي، والذي قد يؤدي في تطبيقات أمشاط التردد الضوئي كير إلى توليد ضوء رامان غير مرغوب فيه وزيادة المنافسة، مما يمنع أمشاط التردد الضوئي نيوبات الليثيوم المقطوعة X من الوصول إلى حالة السوليتون. باستخدام LTOI، يمكن قمع تأثير رامان من خلال تصميم اتجاه البلورة، مما يسمح لـ LTOI المقطوعة X بتحقيق توليد أمشاط التردد الضوئي السوليتون. هذا يُمكّن من التكامل المتجانس لأمشاط التردد الضوئي السوليتون مع معدِّلات عالية السرعة، وهو إنجاز لا يمكن تحقيقه باستخدام LNOI.
◆ لماذا لم يتم ذكر تانتالات الليثيوم الرقيقة (LTOI) في وقت سابق؟
تتميز تانتالات الليثيوم بدرجة حرارة كوري أقل من نيوبات الليثيوم (610 درجة مئوية مقابل 1157 درجة مئوية). قبل تطوير تقنية التكامل غير المتجانس (XOI)، كانت مُعدّلات نيوبات الليثيوم تُصنع باستخدام انتشار التيتانيوم، والذي يتطلب التلدين عند درجة حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية، مما يجعل تقنية التكامل غير المتجانس غير مناسبة. مع ذلك، ومع التحول الحالي نحو استخدام ركائز العوازل ونقش الموجّه الموجي لتكوين المُعدّل، فإن درجة حرارة كوري البالغة 610 درجة مئوية كافية تمامًا.
◆ هل سيحل تانتالات الليثيوم الرقيق (LTOI) محل نيوبات الليثيوم الرقيق (TFLN)؟
بناءً على الأبحاث الحالية، يُقدم LTOI مزايا في الأداء السلبي، والاستقرار، وتكلفة الإنتاج واسعة النطاق، دون أي عيوب ظاهرة. ومع ذلك، لا يتفوق LTOI على نيوبات الليثيوم في أداء التعديل، ولمشاكل الاستقرار مع LNOI حلول معروفة. بالنسبة لوحدات DR للاتصالات، هناك طلب ضئيل على المكونات السلبية (ويمكن استخدام نتريد السيليكون عند الحاجة). بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى استثمارات جديدة لإعادة تأسيس عمليات النقش على مستوى الرقاقة، وتقنيات التكامل غير المتجانس، واختبارات الموثوقية (لم تكن الصعوبة في نقش نيوبات الليثيوم في الدليل الموجي، بل في تحقيق نقش عالي الإنتاجية على مستوى الرقاقة). لذلك، لمنافسة مكانة نيوبات الليثيوم الراسخة، قد يحتاج LTOI إلى اكتشاف المزيد من المزايا. ومع ذلك، من الناحية الأكاديمية، يوفر LTOI إمكانات بحثية كبيرة للأنظمة المتكاملة على الرقاقة، مثل الأمشاط الكهروضوئية الممتدة على نطاق أوكتاف، وأجهزة PPLT، وأجهزة تقسيم الطول الموجي السوليتونية وAWG، ومعدلات المصفوفات.
وقت النشر: ٨ نوفمبر ٢٠٢٤