پیشرفت سریع در مدارهای مجتمع فوتونیک (PIC) که چندین دستگاه نوری و عملکرد را بر روی یک تراشه ترکیب می‌کند، ارتباطات نوری و سیستم‌های محاسباتی را متحول کرده است.
برای چندین دهه، PIC های مبتنی بر سیلیکون به دلیل مقرون به صرفه بودن و از طریق ادغام آنها با فن آوری های تولید نیمه هادی های موجود، علیرغم محدودیت هایشان با توجه به پهنای باند مدولاسیون الکترواپتیکی، بر این حوزه تسلط داشته اند. با این وجود، تراشه‌های فرستنده نوری سیلیکون روی عایق با موفقیت تجاری شدند و ترافیک اطلاعات را از طریق میلیون‌ها الیاف شیشه در مراکز داده مدرن هدایت کردند اما اخیراً پلت فرم ویفر لیتیوم نیوبات روی عایق به دلیل ضریب Pockels قوی خود که برای مدولاسیون نوری با سرعت بالا ضروری است، به عنوان یک ماده برتر برای مدولاتورهای الکترواپتیکی یکپارچه فوتونیک ظاهر شده است. با این وجود، هزینه های بالا و الزامات پیچیده تولید، مانع از استفاده گسترده تر لیتیوم نیوبات شده و ادغام تجاری آن را محدود کرده است.
لیتیوم تانتالات (LiTaO 3 )، یکی از خویشاوندان نزدیک لیتیوم نیوبات، وعده غلبه بر این موانع را می دهد. این ویژگی دارای کیفیت های الکترواپتیک عالی مشابهی است، اما از نظر مقیاس پذیری و هزینه نسبت به لیتیوم نیوبات مزیت دارد، زیرا در حال حاضر به طور گسترده در فیلترهای فرکانس رادیویی 5G توسط صنایع مخابراتی استفاده می شود اکنون دانشمندان به رهبری پروفسور توبیاس جی کیپنبرگ در EPFL و پروفسور Xin Ou در موسسه میکروسیستم و فناوری اطلاعات شانگهای (SIMIT) یک پلت فرم جدید PIC بر اساس لیتیوم تانتالات ایجاد کرده اند. PIC از مزایای ذاتی مواد استفاده می‌کند و می‌تواند با ایجاد PICهای با کیفیت بالا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه‌تر، زمینه را متحول کند. این پیشرفت در Nature منتشر شده است .
محققان یک روش پیوند ویفری برای لیتیوم تانتالات ایجاد کردند که با خطوط تولید سیلیکون روی عایق سازگار است. آنها سپس ویفر لیتیوم تانتالات لایه نازک را با کربن الماس مانند پوشانده و اقدام به حکاکی موجبرهای نوری، تعدیل کننده ها و میکرورزوناتورهای فاکتور با کیفیت فوق العاده بالا کردند.
اچ با ترکیب فتولیتوگرافی عمیق ماوراء بنفش (DUV) و تکنیک‌های اچ خشک، که در ابتدا برای لیتیوم نیوبات توسعه یافته و سپس با دقت برای حکاکی سخت‌تر و بی‌اثرتر لیتیوم تانتالات سازگار شد، به دست آمد. این انطباق شامل بهینه سازی پارامترهای اچ برای به حداقل رساندن تلفات نوری است، که یک عامل مهم در دستیابی به عملکرد بالا در مدارهای فوتونیکی است.
با این رویکرد، تیم قادر به ساخت PIC های لیتیوم تانتالات با کارایی بالا با نرخ تلفات نوری تنها 5.6 دسی بل بر متر در طول موج مخابراتی بود. یکی دیگر از موارد برجسته، مدولاتور الکترواپتیک Mach-Zehnder (MZM) است، دستگاهی که به طور گسترده در ارتباطات فیبر نوری پرسرعت امروزی استفاده می شود. لیتیوم تانتالات MZM محصولی با طول ولتاژ نیم موج 1.9 ولت سانتی متر و پهنای باند الکترواپتیکی به 40 گیگاهرتز ارائه می دهد.
چنگلی وانگ، نویسنده اول این مطالعه، می‌گوید: «در حالی که عملکرد الکترواپتیکی بسیار کارآمد را حفظ می‌کنیم، ما میکروشانه سالیتون را نیز بر روی این پلت فرم تولید کردیم. این میکروکامب‌های سالیتون دارای تعداد زیادی فرکانس منسجم هستند و وقتی با قابلیت‌های مدولاسیون الکترواپتیک ترکیب می‌شوند، مخصوصاً برای کاربردهایی مانند LiDAR منسجم موازی و محاسبات فوتونیک مناسب هستند.
کاهش دوشکستگی PIC لیتیوم تانتالات (وابستگی ضریب شکست به قطبش نور و جهت انتشار) امکان پیکربندی مدارهای متراکم را فراهم می‌کند و قابلیت‌های عملیاتی گسترده را در تمام باندهای مخابراتی تضمین می‌کند. این کار راه را برای تولید مقیاس پذیر و مقرون به صرفه PIC های الکترواپتیکال پیشرفته هموار می کند.
Materials provided by Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Original written by Nik Papageorgiou. The original text of this story is licensed under Creative Commons CC BY-SA 4.0. Note: Content may be edited for style and length.
