થિન-ફિલ્મ લિથિયમ ટેન્ટાલેટ (LTOI): હાઇ-સ્પીડ મોડ્યુલેટર માટે નેક્સ્ટ સ્ટાર મટિરિયલ?

થિન-ફિલ્મ લિથિયમ ટેન્ટાલેટ (LTOI) સામગ્રી એકીકૃત ઓપ્ટિક્સ ક્ષેત્રમાં નોંધપાત્ર નવા બળ તરીકે ઉભરી રહી છે. આ વર્ષે, LTOI મોડ્યુલેટર પર ઘણી ઉચ્ચ-સ્તરની રચનાઓ પ્રકાશિત કરવામાં આવી છે, જેમાં શાંઘાઈ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ માઇક્રોસિસ્ટમ એન્ડ ઇન્ફર્મેશન ટેક્નોલોજીના પ્રોફેસર ઝિન ઓઉ દ્વારા પ્રદાન કરવામાં આવેલ ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી LTOI વેફર્સ અને EPFL ખાતે પ્રોફેસર કિપેનબર્ગના જૂથ દ્વારા વિકસિત ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી વેવગાઇડ એચિંગ પ્રક્રિયાઓ છે. , સ્વિટ્ઝર્લૅન્ડ. તેમના સહયોગી પ્રયાસોએ પ્રભાવશાળી પરિણામો દર્શાવ્યા છે. વધુમાં, પ્રોફેસર લિયુ લિયુની આગેવાની હેઠળની ઝેજિયાંગ યુનિવર્સિટી અને પ્રોફેસર લોન્કારની આગેવાની હેઠળની હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટીની સંશોધન ટીમોએ પણ હાઇ-સ્પીડ, હાઇ-સ્ટેબિલિટી LTOI મોડ્યુલેટર પર અહેવાલ આપ્યો છે.

પાતળી-ફિલ્મ લિથિયમ નિઓબેટ (LNOI) ના નજીકના સંબંધી તરીકે, LTOI લિથિયમ નિયોબેટની હાઇ-સ્પીડ મોડ્યુલેશન અને ઓછી-નુકશાન લાક્ષણિકતાઓ જાળવી રાખે છે જ્યારે ઓછી કિંમત, ઓછી બાયરફ્રિન્જન્સ અને ઘટાડેલી ફોટોરેફ્રેક્ટિવ અસરો જેવા ફાયદા પણ આપે છે. બે સામગ્રીની મુખ્ય લાક્ષણિકતાઓની તુલના નીચે રજૂ કરવામાં આવી છે.

微信图片_20241106164015

◆ લિથિયમ ટેન્ટાલેટ (LTOI) અને લિથિયમ નિયોબેટ (LNOI) વચ્ચે સમાનતા
રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ:2.12 વિ 2.21
આ સૂચવે છે કે સિંગલ-મોડ વેવગાઇડ પરિમાણો, બેન્ડિંગ ત્રિજ્યા અને બંને સામગ્રી પર આધારિત સામાન્ય નિષ્ક્રિય ઉપકરણ કદ ખૂબ સમાન છે, અને તેમની ફાઇબર કપ્લિંગ કામગીરી પણ તુલનાત્મક છે. સારી વેવગાઇડ એચીંગ સાથે, બંને સામગ્રી નિવેશ નુકશાન હાંસલ કરી શકે છે<0.1 dB/cm. EPFL 5.6 dB/m ના વેવગાઈડ નુકશાનની જાણ કરે છે.

ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક ગુણાંક:30.5 pm/V vs 30.9 pm/V
મોડ્યુલેશન કાર્યક્ષમતા બંને સામગ્રી માટે તુલનાત્મક છે, પોકેલ્સ અસર પર આધારિત મોડ્યુલેશન સાથે, ઉચ્ચ બેન્ડવિડ્થ માટે પરવાનગી આપે છે. હાલમાં, LTOI મોડ્યુલેટર્સ 110 GHz કરતાં વધુની બેન્ડવિડ્થ સાથે, પ્રતિ લેન પ્રદર્શન 400G હાંસલ કરવામાં સક્ષમ છે.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

બેન્ડગેપ:3.93 eV વિ 3.78 eV
બંને સામગ્રીમાં વિશાળ પારદર્શક વિન્ડો છે, જે કોમ્યુનિકેશન બેન્ડ્સમાં કોઈ શોષણ વિના, દૃશ્યમાનથી ઇન્ફ્રારેડ તરંગલંબાઇ સુધીના કાર્યક્રમોને સપોર્ટ કરે છે.

સેકન્ડ-ઓર્ડર નોનલાઇનર ગુણાંક (d33):21 pm/V vs 27 pm/V
જો સેકન્ડ હાર્મોનિક જનરેશન (SHG), ડિફરન્સ-ફ્રીક્વન્સી જનરેશન (DFG), અથવા સમ-ફ્રિકવન્સી જનરેશન (SFG) જેવા બિનરેખીય એપ્લિકેશન માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે, તો બે સામગ્રીની રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા એકદમ સમાન હોવી જોઈએ.

◆ LTOI વિ LNOI નો ખર્ચ લાભ
વેફરની તૈયારીનો ઓછો ખર્ચ
LNOI ને સ્તર અલગ કરવા માટે હી આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશનની જરૂર છે, જે ઓછી આયનીકરણ કાર્યક્ષમતા ધરાવે છે. તેનાથી વિપરિત, એલટીઓઆઈ, એલએનઓઆઈ કરતા 10 ગણી વધારે ડિલેમિનેશન કાર્યક્ષમતા સાથે, એસઓઆઈની જેમ જ અલગ થવા માટે એચ આયન ઈમ્પ્લાન્ટેશનનો ઉપયોગ કરે છે. આના પરિણામે 6-ઇંચ વેફર્સ માટે કિંમતમાં નોંધપાત્ર તફાવત છે: $300 વિ. $2000, 85% ખર્ચ ઘટાડો.

微信图片_20241106165545

એકોસ્ટિક ફિલ્ટર્સ માટે કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માર્કેટમાં તે પહેલાથી જ વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે(750,000 એકમો વાર્ષિક, સેમસંગ, એપલ, સોની, વગેરે દ્વારા વપરાય છે).

微信图片_20241106165539

◆ LTOI વિ LNOI ના પ્રદર્શન લાભો
ઓછી સામગ્રીની ખામી, નબળી ફોટોરેફ્રેક્ટિવ અસર, વધુ સ્થિરતા
શરૂઆતમાં, LNOI મોડ્યુલેટર્સ ઘણીવાર બાયસ પોઈન્ટ ડ્રિફ્ટનું પ્રદર્શન કરતા હતા, મુખ્યત્વે વેવગાઈડ ઈન્ટરફેસમાં ખામીને કારણે થતા ચાર્જ સંચયને કારણે. જો સારવાર ન કરવામાં આવે તો, આ ઉપકરણોને સ્થિર થવામાં એક દિવસ જેટલો સમય લાગી શકે છે. જો કે, આ સમસ્યાને ઉકેલવા માટે વિવિધ પદ્ધતિઓ વિકસાવવામાં આવી હતી, જેમ કે મેટલ ઓક્સાઈડ ક્લેડીંગ, સબસ્ટ્રેટ પોલરાઈઝેશન અને એનિલીંગનો ઉપયોગ, આ સમસ્યાને હવે મોટાભાગે નિયંત્રિત કરી શકાય છે.
તેનાથી વિપરિત, LTOI માં સામગ્રીની ખામીઓ ઓછી છે, જે નોંધપાત્ર રીતે ડ્રિફ્ટની ઘટના તરફ દોરી જાય છે. વધારાની પ્રક્રિયા વિના પણ, તેનું સંચાલન બિંદુ પ્રમાણમાં સ્થિર રહે છે. EPFL, હાર્વર્ડ અને ઝેજિયાંગ યુનિવર્સિટી દ્વારા સમાન પરિણામોની જાણ કરવામાં આવી છે. જો કે, સરખામણીમાં ઘણીવાર સારવાર ન કરાયેલ LNOI મોડ્યુલેટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે કદાચ સંપૂર્ણ રીતે ન્યાયી ન હોય; પ્રક્રિયા સાથે, બંને સામગ્રીનું પ્રદર્શન સંભવતઃ સમાન છે. મુખ્ય તફાવત LTOI માં રહેલો છે જેમાં ઓછા વધારાના પ્રોસેસિંગ પગલાંની જરૂર પડે છે.

微信图片_20241106165708

લોઅર બાયરફ્રિંજન્સ: 0.004 વિ 0.07
લિથિયમ નિયોબેટ (LNOI) ની ઉચ્ચ બાયરફ્રિન્જન્સ કેટલીકવાર પડકારરૂપ બની શકે છે, ખાસ કરીને કારણ કે વેવગાઇડ બેન્ડ્સ મોડ કપ્લિંગ અને મોડ હાઇબ્રિડાઇઝેશનનું કારણ બની શકે છે. પાતળા LNOI માં, વેવગાઇડમાં વળાંક આંશિક રીતે TE પ્રકાશને TM પ્રકાશમાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે, જે ફિલ્ટર્સ જેવા ચોક્કસ નિષ્ક્રિય ઉપકરણોના નિર્માણને જટિલ બનાવે છે.
LTOI સાથે, નીચલી બાયફ્રિંજન્સ આ સમસ્યાને દૂર કરે છે, સંભવિત રીતે ઉચ્ચ-પ્રદર્શન નિષ્ક્રિય ઉપકરણો વિકસાવવાનું સરળ બનાવે છે. EPFL એ પણ નોંધપાત્ર પરિણામોની જાણ કરી છે, જેમાં LTOI ની ઓછી બાયરફ્રિન્જન્સ અને મોડ-ક્રોસિંગની ગેરહાજરીનો ઉપયોગ કરીને અલ્ટ્રા-વાઇડ-સ્પેક્ટ્રમ ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક ફ્રિકવન્સી કોમ્બ જનરેશનને વ્યાપક સ્પેક્ટ્રલ શ્રેણીમાં ફ્લેટ ડિસ્પરઝન કંટ્રોલ સાથે હાંસલ કરવામાં આવે છે. આના પરિણામે 2000 થી વધુ કાંસકો રેખાઓ સાથે પ્રભાવશાળી 450 nm કોમ્બ બેન્ડવિડ્થમાં પરિણમ્યું, જે લિથિયમ નિયોબેટ સાથે પ્રાપ્ત કરી શકાય તે કરતાં અનેક ગણું મોટું છે. કેર ઓપ્ટિકલ ફ્રિક્વન્સી કોમ્બ્સની તુલનામાં, ઇલેક્ટ્રો-ઓપ્ટિક કોમ્બ્સ થ્રેશોલ્ડ-ફ્રી અને વધુ સ્થિર હોવાનો લાભ આપે છે, જોકે તેમને ઉચ્ચ-પાવર માઇક્રોવેવ ઇનપુટની જરૂર હોય છે.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ નુકસાન થ્રેશોલ્ડ
LTOI ની ઓપ્ટિકલ ડેમેજ થ્રેશોલ્ડ LNOI કરતા બમણી છે, જે નોનલાઇનર એપ્લીકેશન્સ (અને સંભવિત ભાવિ કોહેરન્ટ પરફેક્ટ એબ્સોર્પ્શન (CPO) એપ્લીકેશન્સ) માં ફાયદો આપે છે. વર્તમાન ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલ પાવર લેવલ લિથિયમ નિયોબેટને નુકસાન પહોંચાડે તેવી શક્યતા નથી.
ઓછી રમન અસર
આ બિનરેખીય એપ્લિકેશનોથી પણ સંબંધિત છે. લિથિયમ નિયોબેટ મજબૂત રામન અસર ધરાવે છે, જે કેર ઓપ્ટિકલ ફ્રીક્વન્સી કોમ્બ એપ્લીકેશનમાં અનિચ્છનીય રામન પ્રકાશ જનરેશન તરફ દોરી જાય છે અને સ્પર્ધા મેળવી શકે છે, જે એક્સ-કટ લિથિયમ નિયોબેટ ઓપ્ટિકલ ફ્રીક્વન્સી કોમ્બ્સને સોલિટોન સ્ટેટમાં પહોંચતા અટકાવે છે. LTOI સાથે, ક્રિસ્ટલ ઓરિએન્ટેશન ડિઝાઇન દ્વારા રમન અસરને દબાવી શકાય છે, જે એક્સ-કટ LTOIને સોલિટોન ઓપ્ટિકલ ફ્રીક્વન્સી કોમ્બ જનરેશન હાંસલ કરવાની મંજૂરી આપે છે. આ હાઇ-સ્પીડ મોડ્યુલેટર સાથે સોલિટોન ઓપ્ટિકલ ફ્રિકવન્સી કોમ્બ્સના મોનોલિથિક એકીકરણને સક્ષમ કરે છે, જે LNOI સાથે પ્રાપ્ત કરી શકાતું નથી.
◆ થિન-ફિલ્મ લિથિયમ ટેન્ટાલેટ (LTOI) નો અગાઉ ઉલ્લેખ કેમ કરવામાં આવ્યો ન હતો?
લિથિયમ ટેન્ટાલેટમાં લિથિયમ નિયોબેટ (610°C વિ. 1157°C) કરતાં નીચું ક્યુરી તાપમાન છે. હેટરોઇન્ટિગ્રેશન ટેક્નોલોજી (XOI) ના વિકાસ પહેલા, લિથિયમ નિયોબેટ મોડ્યુલેટર ટાઇટેનિયમ પ્રસરણનો ઉપયોગ કરીને ઉત્પાદિત કરવામાં આવ્યા હતા, જેને 1000 °C થી વધુ તાપમાને એનિલિંગની જરૂર પડે છે, જે LTOIને અનુચિત બનાવે છે. જો કે, મોડ્યુલેટર રચના માટે ઇન્સ્યુલેટર સબસ્ટ્રેટ્સ અને વેવગાઇડ એચિંગનો ઉપયોગ કરવા તરફ આજના પરિવર્તન સાથે, 610 °C ક્યુરી તાપમાન પર્યાપ્ત કરતાં વધુ છે.
◆ શું થિન-ફિલ્મ લિથિયમ ટેન્ટાલેટ (LTOI) થિન-ફિલ્મ લિથિયમ નિયોબેટ (TFLN) ને બદલશે?
વર્તમાન સંશોધનના આધારે, LTOI નિષ્ક્રિય પ્રદર્શન, સ્થિરતા અને મોટા પાયે ઉત્પાદન ખર્ચમાં લાભ આપે છે, જેમાં કોઈ દેખીતી ખામીઓ નથી. જો કે, LTOI મોડ્યુલેશન કામગીરીમાં લિથિયમ નિઓબેટને વટાવી શકતું નથી, અને LNOI સાથે સ્થિરતાના મુદ્દાઓ માટે જાણીતા ઉકેલો છે. કોમ્યુનિકેશન ડીઆર મોડ્યુલો માટે, નિષ્ક્રિય ઘટકોની ન્યૂનતમ માંગ છે (અને જો જરૂરી હોય તો સિલિકોન નાઇટ્રાઇડનો ઉપયોગ કરી શકાય છે). વધુમાં, વેફર-લેવલ એચિંગ પ્રક્રિયાઓ, હેટરોઇન્ટિગ્રેશન તકનીકો અને વિશ્વસનીયતા પરીક્ષણને પુનઃસ્થાપિત કરવા માટે નવા રોકાણોની આવશ્યકતા છે (લિથિયમ નિયોબેટ એચિંગમાં મુશ્કેલી વેવગાઇડ ન હતી પરંતુ ઉચ્ચ-ઉપજ વેફર-લેવલ એચિંગ હાંસલ કરતી હતી). તેથી, લિથિયમ નિયોબેટની સ્થાપિત સ્થિતિ સાથે સ્પર્ધા કરવા માટે, LTOI ને વધુ ફાયદાઓ શોધવાની જરૂર પડી શકે છે. શૈક્ષણિક રીતે, તેમ છતાં, LTOI સંકલિત ઓન-ચિપ સિસ્ટમ્સ માટે નોંધપાત્ર સંશોધન સંભવિત પ્રદાન કરે છે, જેમ કે ઓક્ટેવ-સ્પૅનિંગ ઇલેક્ટ્રો-ઑપ્ટિક કોમ્બ્સ, PPLT, સોલિટોન અને AWG વેવલેન્થ ડિવિઝન ડિવાઇસ અને એરે મોડ્યુલેટર્સ.


પોસ્ટ સમય: નવેમ્બર-08-2024