מעגלים משולבים פוטוניים של ליתיום טנטלאט. קרדיט: טוביאס קיפנברג (EPFL)
טכנולוגיית מעגלים משולבים פוטוניים חדשה המבוססת על טנטלאט ליתיום משפרת את יעילות העלות ואת יכולת ההרחבה, תוך התקדמות משמעותית בתקשורת אופטית ומחשוב.
מערכות תקשורת אופטיות ומחשוב עברו מהפכה על ידי ההתקדמות המהירה במעגלים משולבים פוטוניים (PICs), המשלבים התקנים אופטיים מרובים ופונקציונליות על שבב אחד.
במשך עשרות שנים, PICs מבוססי סיליקון שלטו בתחום בשל עלות-תועלת שלהם ושילובם עם טכנולוגיות ייצור מוליכים למחצה קיימות, למרות המגבלות שלהם בכל הנוגע לרוחב הפס האפנון האלקטרו-אופטי שלהם. עם זאת, שבבי מקלט-משדר אופטי מסיליקון-על-מבודד הועסקו בהצלחה, והובילו תעבורת מידע דרך מיליוני סיבי זכוכית במרכזי נתונים מודרניים.
פלטפורמות ליתיום ניובאט המתעוררות
לאחרונה, פלטפורמת ה-lithium niobate-on-insulator prolaps הופיעה כחומר מעולה למאפננים אלקטרו-אופטיים משולבים פוטוניים בשל מקדם ה-Pockels החזק שלו, שהוא חיוני לאפנון אופטי במהירות גבוהה. אף על פי כן, עלויות גבוהות ודרישות ייצור מורכבות, מנעו את אימוץ הליתיום ניובאט באופן נרחב יותר, והגבילו את האינטגרציה המסחרית שלו.
ליתיום טנטלאט (LiTaO3), קרוב משפחה של ליתיום ניובאט, מבטיח להתגבר על המחסומים הללו. הוא כולל איכויות אלקטרו-אופטיות מעולות דומות, אך יש לו יתרון על פני ליתיום ניובאט בהרחבה ובעלות, שכן הוא כבר נמצא בשימוש נרחב במסנני רדיו 5G על ידי תעשיות הטלקום.
כעת, מדענים בראשות פרופסור טוביאס ג'יי קיפנברג ב-EPFL ופרופסור שין או במכון שנגחאי לטכנולוגיית מיקרו-מערכות ומידע (SIMIT) יצרו פלטפורמת PIC חדשה המבוססת על טנטלאט ליתיום. ה-PIC ממנף את היתרונות הגלומים של החומר ויכול לשנות את התחום על-ידי הפיכת PICs באיכות גבוהה לכדאיות יותר מבחינה כלכלית. פריצת הדרך פורסמה ב-8 במאי ב טֶבַע.
חידושים טכנולוגיים בייצור
החוקרים פיתחו שיטת הדבקת רקיק לליתיום טנטלאט, התואמת לקווי ייצור של סיליקון על מבודד. לאחר מכן הם הסתירו את פרוסת הליתיום טנטלאט בעלת הסרט הדק עם פחמן דמוי יהלום והמשיכו לחרוט מוליכי גל אופטיים, מאפננים ומיקרו-תהודה גורם באיכות גבוהה במיוחד.
התחריט הושג על ידי שילוב של פוטוליתוגרפיה אולטרה סגולה עמוקה וטכניקות חריטה יבשה, שפותחה בתחילה עבור ליתיום ניובאט ולאחר מכן הותאמה בקפידה לחריטת הליתיום טנטלאט הקשיח והאינרטי יותר. התאמה זו כללה אופטימיזציה של פרמטרי הצריבה כדי למזער הפסדים אופטיים, גורם מכריע בהשגת ביצועים גבוהים במעגלים פוטוניים.
הישגים וצפי עתיד
עם גישה זו, הצוות הצליח לייצר PICs ליטיום טנטלאט ביעילות גבוהה עם קצב אובדן אופטי של 5.6 dB/m בלבד באורך גל טלקום. גולת הכותרת נוספת היא מאפנן Mach-Zehnder האלקטרו-אופטי (MZM), מכשיר בשימוש נרחב בתקשורת סיבים אופטיים מהירים של ימינו. ה-lithium tantalate MZM מציע תוצר באורך מתח של חצי גל של 1.9 V ס"מ ורוחב פס אלקטרו-אופטי המגיע ל-40 GHz.
"תוך כדי שמירה על ביצועים אלקטרו-אופטיים יעילים במיוחד, יצרנו גם מיקרו-קומב סוליטון בפלטפורמה זו", אומר צ'נגלי וואנג, המחבר הראשון של המחקר. "מיקרו-קומבות סוליטון אלו כוללות מספר רב של תדרים קוהרנטיים, ובשילוב עם יכולות אפנון אלקטרו-אופטי, הן מתאימות במיוחד ליישומים כמו LiDAR קוהרנטי מקביל ומחשוב פוטוני."
השבירה הדו-פעמית המופחתת של ה-PIC של ליתיום tantalate (התלות של אינדקס השבירה בקיטוב האור ובכיוון התפשטות) מאפשרת תצורות מעגלים צפופות ומבטיחה יכולות תפעוליות רחבות בכל תחומי התקשורת. העבודה סוללת את הדרך לייצור ניתן להרחבה וחסכוני של PICs אלקטרו-אופטיים מתקדמים.
