Tenkovrstvový lítium tantalátový (LTOI) materiál sa objavuje ako významná nová sila v oblasti integrovanej optiky. Tento rok bolo publikovaných niekoľko prác na vysokej úrovni o modulátoroch LTOI, pričom vysokokvalitné doštičky LTOI poskytol profesor Xin Ou zo Šanghajského inštitútu mikrosystémových a informačných technológií a vysokokvalitné procesy leptania vlnovodu vyvinuté skupinou profesora Kippenberga v EPFL. , Švajčiarsko. Ich spoločné úsilie prinieslo pôsobivé výsledky. Okrem toho výskumné tímy z univerzity Zhejiang pod vedením profesora Liu Liu a Harvardskej univerzity pod vedením profesora Loncara tiež informovali o vysokorýchlostných modulátoroch LTOI s vysokou stabilitou.
Ako blízky príbuzný niobátu lítneho (LNOI) si LTOI zachováva vysokorýchlostnú moduláciu a nízkostratové vlastnosti niobátu lítneho a zároveň ponúka výhody, ako je nízka cena, nízky dvojlom a znížené fotorefrakčné účinky. Porovnanie hlavných charakteristík týchto dvoch materiálov je uvedené nižšie.
◆ Podobnosti medzi tantalátom lítnym (LTOI) a niobátom lítnym (LNOI)
①Index lomu:2,12 oproti 2,21
To znamená, že rozmery jednovidového vlnovodu, polomer ohybu a bežné veľkosti pasívnych zariadení založené na oboch materiáloch sú veľmi podobné a ich výkon pri spájaní vlákien je tiež porovnateľný. Pri dobrom vlnovodnom leptaní môžu oba materiály dosiahnuť vložný úbytok<0,1 dB/cm. EPFL uvádza stratu vlnovodu 5,6 dB/m.
②Elektrooptický koeficient:30,5 pm/V oproti 30,9 pm/V
Účinnosť modulácie je porovnateľná pre oba materiály, pričom modulácia je založená na Pockelsovom efekte, čo umožňuje veľkú šírku pásma. V súčasnosti sú modulátory LTOI schopné dosiahnuť výkon 400 G na jeden pruh so šírkou pásma presahujúcou 110 GHz.
③Bandgap:3,93 eV oproti 3,78 eV
Oba materiály majú široké priehľadné okno, podporujúce aplikácie od viditeľných po infračervené vlnové dĺžky, bez absorpcie v komunikačných pásmach.
④Nelineárny koeficient druhého rádu (d33):21:00/V vs. 27:00/V
Ak sa použije pre nelineárne aplikácie, ako je generovanie druhej harmonickej (SHG), generovanie rozdielovej frekvencie (DFG) alebo generovanie sumárnej frekvencie (SFG), účinnosť konverzie týchto dvoch materiálov by mala byť dosť podobná.
◆ Cenová výhoda LTOI vs LNOI
①Nižšie náklady na prípravu oblátok
LNOI vyžaduje implantáciu He iónov na separáciu vrstiev, ktorá má nízku ionizačnú účinnosť. Na rozdiel od toho LTOI používa na separáciu implantáciu iónov H, podobne ako SOI, s účinnosťou delaminácie viac ako 10-krát vyššou ako LNOI. Výsledkom je významný cenový rozdiel pre 6-palcové doštičky: 300 USD oproti 2 000 USD, čo predstavuje 85 % zníženie nákladov.
②Na trhu spotrebnej elektroniky pre akustické filtre je už široko používaný(750 000 kusov ročne, ktoré používajú Samsung, Apple, Sony atď.).
◆ Výkonové výhody LTOI vs LNOI
①Menej chýb materiálu, slabší fotorefrakčný efekt, väčšia stabilita
Spočiatku modulátory LNOI často vykazovali posun bodu predpätia, predovšetkým v dôsledku akumulácie náboja spôsobenej defektmi na rozhraní vlnovodu. Ak sa tieto zariadenia neliečia, môže trvať až jeden deň, kým sa stabilizujú. Na vyriešenie tohto problému však boli vyvinuté rôzne metódy, ako je použitie opláštenia oxidom kovov, polarizácia substrátu a žíhanie, vďaka čomu je teraz tento problém do značnej miery zvládnuteľný.
Na rozdiel od toho má LTOI menej defektov materiálu, čo vedie k výrazne zníženému javu driftu. Aj bez dodatočného spracovania zostáva jeho pracovný bod relatívne stabilný. Podobné výsledky hlásili EPFL, Harvard a Zhejiang University. Pri porovnávaní sa však často používajú neošetrené modulátory LNOI, čo nemusí byť úplne spravodlivé; pri spracovaní je výkon oboch materiálov pravdepodobne podobný. Hlavný rozdiel spočíva v LTOI vyžadujúcom menej dodatočných krokov spracovania.
②Dolný dvojlom: 0,004 vs 0,07
Vysoký dvojlom niobátu lítneho (LNOI) môže byť občas náročný, najmä preto, že ohyby vlnovodu môžu spôsobiť spájanie režimov a hybridizáciu režimov. V tenkom LNOI môže ohyb vlnovodu čiastočne previesť svetlo TE na svetlo TM, čo komplikuje výrobu určitých pasívnych zariadení, ako sú filtre.
S LTOI tento problém eliminuje nižší dvojlom, čo potenciálne uľahčuje vývoj vysokovýkonných pasívnych zariadení. EPFL tiež oznámila pozoruhodné výsledky, využívajúc nízky dvojlom LTOI a absenciu kríženia vidov na dosiahnutie ultra-širokospektrálneho elektro-optického frekvenčného hrebeňa s reguláciou plochého rozptylu v širokom spektrálnom rozsahu. To viedlo k pôsobivej šírke hrebeňového pásma 450 nm s viac ako 2 000 hrebeňovými líniami, niekoľkonásobne väčšou ako to, čo možno dosiahnuť s niobátom lítnym. V porovnaní s Kerr optickými frekvenčnými hrebeňmi ponúkajú elektrooptické hrebene tú výhodu, že sú bezprahové a stabilnejšie, hoci vyžadujú vysokovýkonný mikrovlnný vstup.
③Vyšší prah optického poškodenia
Prah optického poškodenia LTOI je dvojnásobný oproti LNOI, čo ponúka výhodu v nelineárnych aplikáciách (a potenciálne budúcich aplikáciách koherentnej dokonalej absorpcie (CPO)). Súčasné úrovne výkonu optického modulu pravdepodobne nepoškodia niobát lítny.
④Nízky Ramanov efekt
Týka sa to aj nelineárnych aplikácií. Niobát lítny má silný Ramanov efekt, ktorý v aplikáciách Kerr s optickými frekvenčnými hrebeňmi môže viesť k nežiaducemu generovaniu Ramanovho svetla a získať konkurenciu, čím bráni x-cut lítium niobátovým hrebeňom s optickou frekvenciou dosiahnuť solitónový stav. S LTOI možno Ramanov efekt potlačiť dizajnom orientácie kryštálov, čo umožňuje x-cut LTOI dosiahnuť generovanie hrebeňa s optickou frekvenciou soliton. To umožňuje monolitickú integráciu solitonových optických frekvenčných hrebeňov s vysokorýchlostnými modulátormi, čo nie je možné dosiahnuť pomocou LNOI.
◆ Prečo nebol tenkovrstvový lítium tantalát (LTOI) spomenutý skôr?
Tantalát lítny má nižšiu Curieho teplotu ako niobát lítny (610°C oproti 1157°C). Pred vývojom technológie heterointegrácie (XOI) sa modulátory niobátu lítneho vyrábali pomocou difúzie titánu, čo si vyžaduje žíhanie pri teplote vyššej ako 1000 °C, čím sa LTOI stáva nevhodným. Avšak s dnešným posunom smerom k používaniu substrátov izolátorov a leptaniu vlnovodu na tvorbu modulátorov je Curieova teplota 610 °C viac než postačujúca.
◆ Nahradí tenkovrstvový lítium-niobát (TFLN) tenkovrstvový lítium-niobát (TFLN)?
Na základe súčasného výskumu ponúka LTOI výhody pasívneho výkonu, stability a výrobných nákladov vo veľkom meradle bez zjavných nevýhod. LTOI však vo výkone modulácie neprevyšuje niobát lítny a problémy so stabilitou s LNOI majú známe riešenia. Pre komunikačné DR moduly je minimálny dopyt po pasívnych komponentoch (a v prípade potreby je možné použiť nitrid kremíka). Okrem toho sú potrebné nové investície na obnovenie procesov leptania na úrovni plátkov, heterointegračných techník a testovania spoľahlivosti (ťažkosti s leptaním niobátu lítneho neboli vlnovodom, ale dosahovaním leptania na úrovni plátku s vysokým výťažkom). Preto, aby mohol LTOI konkurovať zavedenej pozícii niobátu lítneho, bude možno musieť odhaliť ďalšie výhody. Z akademického hľadiska však LTOI ponúka významný výskumný potenciál pre integrované systémy na čipe, ako sú elektrooptické hrebene s rozpätím oktávy, zariadenia PPLT, soliton a AWG s delením vlnovej dĺžky a modulátory poľa.
Čas uverejnenia: 8. novembra 2024