Epäorgaaniset sähköoptiset materiaalit

Optisen kuitutiedonsiirron nopean ja suuren kapasiteetin kysyntä on yhä kasvava trendi . Optisen tiedonsiirron ydinkomponenttina sähköoptisten modulaattoreiden suorituskyky riippuu suuresti materiaalin elektro-optisesta kertoimesta, vasteajasta ja stabiilisuudesta.

Äskettäin Huazhongin tiede- ja teknologiayliopiston professori Fu Qiuyunin ja tutkija Dong Wenin muodostama tiimi julkaisi katsausartikkelin "Advancing Inorganic Electro-Optical Materials for 5G Communications: From Fundamental Mechanisms to Future Perspectives".

Artikkelissa esitettiin systemaattinen yhteenveto epäorgaanisten sähköoptisten materiaalien tutkimuksen edistymisestä, tuotiin esiin ferroelektrisen polarisaation ja sähköoptisen ilmiön välinen sisäinen yhteys sekä ehdotettiin suunnittelun suuntauksia tulevaisuuden tehokkaille materiaaleille.

Tutkimuksen perimmäisenä tavoitteena on ennustaa ja tutkia seuraavan sukupolven epäorgaanisia elektro-optisia -materiaaleja, jotka voivat mahdollisesti korvata litiumniobaatin.

Tutkijat ovat tarkastelleet perovskiittipohjaisten ferroelektristen EO-materiaalien ja uusien CMOS-yhteensopivien epäorgaanisten ei-perovskiittisten vastineiden kehitystä korostaen yleistä keskittymistä ferroelektrisiin ja EO-modulaattoreihin.

Epäorgaaniset elektro-optiset materiaalit ovat kehittyneet materiaalitasolla piipohjaisista LNO:ksi ja sitten BTO:ksi, PZT:ksi jne., ja edelleen massamateriaaleista ohutkalvomateriaaleiksi.

Vaikka näiden materiaalien suorituskyky on parantunut, myös niiden sovellusalueiden standardivaatimukset ovat kasvaneet, mukaan lukien suuri kaistanleveys, minimaalinen optinen häviö, alhainen virrankulutus ja korkea signaali-kohinasuhde.

Perinteiset piipohjaiset, III-V- ja yhdistepuolijohdemodulaattorit eivät ilmeisesti pysty täyttämään kaikkia näitä vaatimuksia samanaikaisesti. Vaikka litiumniobaattia arvostetaan suuresti optoelektroniikan teollisuudessa erinomaisten kideominaisuuksiensa ansiosta, sen sovellettavuutta rajoittavat huomattavasti prosessoinnin monimutkaisuus, aaltojohderakenteiden seostus, suuri koko, korkeat kustannukset, rajallinen kaistanleveys ja suurempi käyttöjännite.

Toisaalta ohutkalvosilla litiumniobaatilla (LiNbO₃, LNO) on lupaava tulevaisuus, vaikka se on suhteellisen uusi kehitysaskel. Sen teknologiassa ja suorituskyvyssä on vielä paljon kasvunvaraa, mikä vaatii lisätutkimusta ja iteratiivista kehitystä.

Tutkimuksen esittämät uudet ferrosähköiset oksidimateriaalit, kuten BaTiO₃ (BTO), Pb(Zr₁₋ₓTiₓ)O₃ (PZT) ja La-dopattu PZT (PLZT), osoittavat myös suurta potentiaalia jatkokehitykselle. Rakenteen suhteen ohutkalvomateriaalit ovat parempia kuin kiteet ja läpinäkyvät keraamit, ja ottaen huomioon jälkimmäisten monimutkaiset prosessointihaasteet ja kustannustehokkuuden, ohutkalvomateriaaleilla on laajemmat kehitysnäkymät.

Lisäksi ferrosähköisyyden alasta on tullut merkittävä tutkimusalue viime vuosina, ja yhä useammat tutkimukset ovat keskittyneet tähän ilmiöön liittyvien vaikutusten ja materiaalien tutkimiseen. Lisäksi tutkijat tuovat esiin joitakin uusia binaarisia EO-materiaaleja, kuten HfO₂:n, ZnO:n ja AlN:n, sekä niiden sähköoptiset vaikutukset.

Aiheesta aiemmin:

Parantaa sähköoptista suorituskykyä III-V-puolijohteissa

Ferrosähköllä huippunopeaa optista tiedonsiirtoa

Fotonioperaatiot sopivat yhä paremmin sirulle