Apakah lithium niobate masa depan yang memungkinkan untuk optoelektronik?

Dunia kita penuh dengan berbagai macam bahan, zat, senyawa kimia, dll. Masing-masing memiliki sifat sendiri, kerugian dan kelebihannya sendiri. Banyak ilmuwan menghabiskan waktu bertahun-tahun mencoba membersihkan bahan tertentu atau senyawa kimia cacat, sehingga meningkatkan kualitasnya, yang, pada gilirannya, memperluas jangkauan aplikasi yang mungkin. Inilah yang dilakukan para peneliti di Universitas Harvard. "Percobaan" mereka menjadi senyawa yang sangat tidak biasa - lithium niobate. Apa sebenarnya yang dilakukan para ilmuwan dan hasil apa yang mereka dapatkan? Ayo cari tahu. Ayo pergi.

"Subjek": apa, bagaimana dan mengapa?

Dasar dari penelitian ini adalah lithium niobate. Ini adalah senyawa kimia kristal yang inert secara kimia dan memiliki sifat optik yang sangat mengejutkan. Lithium niobate dibentuk dengan menggabungkan niobium oksida dan lithium karbonat pada suhu sekitar 1100 ° C. Dalam hal ini, metode Czochralski digunakan.


Representasi skematis dari pertumbuhan kristal dengan metode Czochralski

Apa yang istimewa dari kompleks ini? Seperti disebutkan sebelumnya, ini adalah sifat optisnya. Faktanya adalah bahwa kristal lithium niobate secara optikal transparan dalam kisaran panjang gelombang 0,4-5,0 μm, dan indeks bias balok biasa adalah 2,29, dan luar biasa 2,20. Karena karakteristik seperti itu, senyawa kimia ini telah menemukan aplikasinya di banyak perangkat, mulai dari ponsel hingga modulator optik.


Struktur lithium niobate

Perbedaan dari silikon dan masalah yang terkait dengannya

Ketika kita berbicara tentang elektronik, unsur kimia pertama yang muncul di pikiran adalah silikon. Ini banyak digunakan dalam elektronik, termasuk optoelektronik. Perbedaan utamanya dari lithium niobate adalah kemudahan etsa kimia. Proses pemrosesan ini digunakan untuk membuat struktur berukuran nanometer, seperti pandu gelombang. Lithium niobate, pada gilirannya, tidak dapat menerima pemrosesan tersebut.


Representasi skematis dari proses etsa kimia

Ada upaya untuk membuat pandu gelombang berdasarkan lithium niobate menggunakan difusi ion dan pertukaran proton. Namun, sebagai hasilnya, kontras indeks optik antara pandu gelombang dan material tubuh terlalu rendah. Dan itu harus berbeda, karena semakin tinggi indikator ini, semakin baik cahaya akan merambat melalui pandu gelombang yang terukir dalam lithium niobate, yang akan memanfaatkan sepenuhnya sifat optik bahan tersebut.

Beberapa peneliti percaya bahwa masalah ini dapat diselesaikan dengan hibridisasi. Waveguides terukir pada permukaan silikon langsung cahaya melalui lithium niobate, di mana ia mengeksploitasi transparansi material dan sifat optik nonliniernya. Metode ini cukup fungsional, tetapi tidak efisien, karena koneksi antara cahaya yang melewati pandu gelombang silikon dan lithium niobate ternyata terlalu lemah.

Metode baru langsung dari Harvard

Kompleksitas bekerja dengan bahan-bahan seperti lithium niobate mendorong para peneliti dari Universitas Harvard untuk menemukan metode etsa baru. Yakni, etching ion reaktif plasma.

Selama proses ini, permukaan kristal (dalam hal ini, lithium niobate) dihujani oleh ion. Dalam hal ini, area yang terpapar oleh photomask dihilangkan selama interaksi ion dengan atom pada permukaan chip.

Marco Lonchar, kepala penelitian, berbicara, bukan tanpa humor, tentang lithium niobate seperti ini:

Selama bertahun-tahun, kami telah berurusan dengan banyak bahan yang memiliki sifat baik, tetapi sulit untuk dikerjakan. Salah satu bahan tersebut adalah berlian. Sebenarnya lebih mudah untuk mengetsa pada berlian daripada pada lithium niobate, tetapi tidak ada dalam bentuk film tipis (lapisan tipis bahan, dari fraksi nanometer hingga beberapa mikron).

Kata-kata adalah kata-kata, tetapi penelitian apa pun membutuhkan bukti material. Karena ini, sebuah microring dan beberapa band dibuat, lebarnya sekitar 1 μm, dan jari-jari cincin adalah 80 μm.

Proses pembuatan perawatan mikro ini dapat dijelaskan dalam 3 langkah:

Sampel step - waveguide dietsa pada lapisan fotoresis menggunakan litografi berkas elektron;
Langkah II - templat yang dihasilkan diaplikasikan pada film lithium niobate untuk melindungi area yang diperlukan dari pemrosesan lebih lanjut;
Langkah III - menggunakan etsa ion jet plasma, seberkas ion argon diarahkan ke sampel. Akibatnya, area yang tidak terlindungi oleh photomask dihapus, dan waveguide yang diperlukan terbentuk.

Yang lebih menyenangkan bagi para peneliti adalah bahwa hilangnya daya optik pada jarak 1 meter adalah sekitar 50%. Sementara sebelumnya, ketika menggunakan lithium niobate, indikator ini adalah 99%. Menurut Lonchar, ini menjadi mungkin karena peningkatan kurungan optik, yang mencegah "kebocoran" cahaya di sepanjang tepi pandu gelombang.

Marco Buzzan, seorang ilmuwan material di Universitas Padua, mengatakan:

Jika hasil penelitian dikonfirmasi, maka ini akan meningkatkan pentingnya lithium niobate, bahkan ketika mempertimbangkan perangkat foton silikon tradisional. Performa yang begitu baik, dikombinasikan dengan sifat optik nonlinear dari lithium niobate, sangat mementingkan pekerjaan ini, terutama di era mendatang fotonika kuantum terintegrasi.

Ini adalah integrasi lithium niobate ke dalam silikon fotonik yang merupakan visi tim penelitian Lonchar di masa depan. Namun, pada saat ini, untuk ini mereka kembali harus kembali ke model hibrida, mengingat fakta bahwa tidak ada produksi perangkat berdasarkan lithium niobate. Karena itu, menurut Lonchar, mereka harus membuat chip dari lithium niobate dan silikon secara terpisah, dan kemudian menggabungkannya menjadi satu kesatuan.

Untuk membiasakan diri dengan laporan kelompok riset Lonchar, Anda dapat mengklik tautan tersebut .

Epilog

Penggunaan lithium niobate dalam optoelektronik memiliki banyak kesulitan, namun, dan banyak keuntungan yang sepadan dengan usaha. Mungkin saatnya akan tiba ketika silikon tua yang baik akan memudar ke latar belakang dan menjadi peninggalan masa lalu, tetapi sejauh ini tidak demikian. Saat ini, banyak penelitian sedang berlangsung, yang tujuannya adalah menemukan senyawa kimia baru dan bahan-bahan atau studi yang lebih teliti dari yang sudah ada, dengan tujuan menggunakannya di area tertentu dalam kehidupan kita. Tidak ada batasan untuk kesempurnaan. Prinsip ini meluas hingga ke detail terkecil, tetapi terkadang paling penting, dari teknologi apa pun.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (pilihan tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4 RAM).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?