Tenkovrstvový materiál lítium-tantalátu (LTOI) sa stáva významnou novou silou v oblasti integrovanej optiky. Tento rok bolo publikovaných niekoľko vysoko kvalitných prác o LTOI modulátoroch, pričom vysoko kvalitné LTOI doštičky poskytol profesor Xin Ou zo Šanghajského inštitútu mikrosystémových a informačných technológií a vysoko kvalitné procesy leptania vlnovodov vyvinula skupina profesora Kippenberga na EPFL vo Švajčiarsku. 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 a vysoko stabilných LTOI modulátoroch.
Ako blízky príbuzný tenkovrstvového niobátu lítia (LNOI) si LTOI zachováva vysokorýchlostnú moduláciu a nízke straty niobátu lítia a zároveň ponúka výhody, ako sú nízke náklady, nízky dvojlom a znížené fotorefraktívne efekty. Porovnanie hlavných charakteristík týchto dvoch materiálov je uvedené nižšie.
◆ Podobnosti medzi tantalátom lítia (LTOI) a niobičnanom lítia (LNOI)
①Index lomu:2,12 oproti 2,21
To znamená, že rozmery jednomódového vlnovodu, polomer ohybu a bežné veľkosti pasívnych zariadení na základe oboch materiálov sú veľmi podobné a ich výkon pri prepojení vlákien je tiež porovnateľný. Pri dobrom leptaní vlnovodu môžu oba materiály dosiahnuť vložený útlm<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 vysokú šírku pásma. V súčasnosti sú modulátory LTOI schopné dosiahnuť výkon 400 G na dráhu so šírkou pásma presahujúcou 110 GHz.
③Zakázané pásmo:3,93 eV oproti 3,78 eV
Oba materiály majú široké priehľadné okno, ktoré podporuje aplikácie od viditeľných až po infračervené vlnové dĺžky, bez absorpcie v komunikačných pásmach.
4Nelineárny koeficient druhého rádu (d33):21:00/V oproti 27:00/V
Ak sa používajú pre nelineárne aplikácie, ako je generovanie druhej harmonickej (SHG), generovanie rozdielovej frekvencie (DFG) alebo generovanie súčtovej frekvencie (SFG), účinnosť konverzie týchto dvoch materiálov by mala byť dosť podobná.
◆ Nákladová výhoda LTOI oproti LNOI
①Nižšie náklady na prípravu oblátok
LNOI vyžaduje implantáciu iónov He na oddelenie vrstiev, čo má nízku ionizačnú účinnosť. Naproti tomu LTOI používa na separáciu implantáciu iónov H, podobne ako SOI, s účinnosťou delaminácie viac ako 10-krát vyššou ako LNOI. To má za následok výrazný cenový rozdiel pre 6-palcové doštičky: 300 USD oproti 2 000 USD, čo predstavuje 85 % zníženie nákladov.
2Na trhu so spotrebnou elektronikou sa už široko používa pre akustické filtre.(750 000 kusov ročne, používané spoločnosťami Samsung, Apple, Sony atď.).
◆ Výhody LTOI oproti LNOI
①Menej materiálových defektov, slabší fotorefraktívny efekt, väčšia stabilita
Spočiatku LNOI modulátory často vykazovali posun bodu predpätia, predovšetkým kvôli akumulácii náboja spôsobenej defektmi na rozhraní vlnovodu. Ak sa tieto zariadenia neošetrili, stabilizácia mohla trvať až jeden deň. Na riešenie tohto problému však boli vyvinuté rôzne metódy, ako napríklad použitie povlaku z oxidu kovu, polarizácia substrátu a žíhanie, vďaka čomu je tento problém teraz do značnej miery zvládnuteľný.
Naproti tomu LTOI má menej materiálových defektov, čo vedie k výrazne zníženému javu driftu. Aj bez dodatočného spracovania zostáva jeho prevádzkový bod relatívne stabilný. Podobné výsledky uviedli EPFL, Harvard a Zhejiang University. Porovnanie však často používa neošetrené modulátory LNOI, čo nemusí byť úplne spravodlivé; pri spracovaní je výkon oboch materiálov pravdepodobne podobný. Hlavný rozdiel spočíva v tom, že LTOI vyžaduje menej dodatočných krokov spracovania.
2Nižší dvojlom: 0,004 oproti 0,07
Vysoký dvojlom niobátu lítneho (LNOI) môže byť niekedy náročný, najmä preto, že ohyby vlnovodu môžu spôsobiť väzbu módov a hybridizáciu módov. V tenkom LNOI môže ohyb vlnovodu čiastočne premeniť TE svetlo na TM svetlo, čo komplikuje výrobu určitých pasívnych zariadení, ako sú filtre.
Pri LTOI tento problém eliminuje nižší dvojlom, čo potenciálne uľahčuje vývoj vysokovýkonných pasívnych zariadení. EPFL tiež oznámila pozoruhodné výsledky, pričom využila nízky dvojlom LTOI a absenciu kríženia módov na dosiahnutie generovania elektrooptického frekvenčného hrebeňa s ultraširokým spektrom s plochou disperznou kontrolou v širokom spektrálnom rozsahu. Výsledkom bola pôsobivá šírka pásma hrebeňa 450 nm s viac ako 2 000 čiarami hrebeňa, čo je niekoľkonásobne väčšie ako to, čo sa dá dosiahnuť s niobátom lítnym. V porovnaní s optickými frekvenčnými hrebeňmi Kerr ponúkajú elektrooptické hrebene výhodu, že sú bez prahových hodnôt a stabilnejšie, hoci vyžadujú vysokovýkonný mikrovlnný vstup.
③Vyšší prah optického poškodenia
Prah optického poškodenia pri LTOI je dvojnásobný v porovnaní s LNOI, čo ponúka výhodu v nelineárnych aplikáciách (a potenciálne aj v budúcich aplikáciách s koherentnou dokonalou absorpciou (CPO)). Súčasné úrovne výkonu optických modulov pravdepodobne nepoškodia niobičnan lítny.
4Nízky Ramanov efekt
Toto sa týka aj nelineárnych aplikácií. Niobát lítny má silný Ramanov efekt, ktorý v aplikáciách Kerrových optických frekvenčných hrebeňov môže viesť k nežiaducemu generovaniu Ramanovho svetla a konkurencii zosilnenia, čím sa zabráni tomu, aby optické frekvenčné hrebene s x-cut rezom z niobátu lítia dosiahli solitónový stav. S LTOI je možné Ramanov efekt potlačiť prostredníctvom dizajnu orientácie kryštálov, čo umožňuje x-cut LTOI dosiahnuť generovanie solitónových optických frekvenčných hrebeňov. To umožňuje monolitickú integráciu solitónových optických frekvenčných hrebeňov s vysokorýchlostnými modulátormi, čo nie je možné dosiahnuť s LNOI.
◆ Prečo sa skôr nespomínal tenkovrstvový lítium-tantalát (LTOI)?
Tantalát lítny má nižšiu Curieovu teplotu ako niobičnan lítny (610 °C oproti 1157 °C). Pred vývojom technológie heterointegrácie (XOI) sa modulátory niobičnanu lítneho vyrábali pomocou difúzie titánu, ktorá vyžaduje žíhanie pri teplote nad 1000 °C, čo robí LTOI nevhodnou. Avšak s dnešným prechodom na používanie izolačných substrátov a leptanie vlnovodov na tvorbu modulátorov je Curieova teplota 610 °C viac než postačujúca.
◆ Nahradí tenkovrstvový lítium-tantalát (LTOI) tenkovrstvový lítium-niobát (TFLN)?
Na základe súčasného výskumu ponúka LTOI výhody v pasívnom výkone, stabilite a nákladoch na výrobu vo veľkom meradle bez zjavných nevýhod. LTOI však neprekonáva niobát lítia v modulačnom výkone a problémy so stabilitou pri LNOI majú známe riešenia. V prípade komunikačných DR modulov je minimálny dopyt po pasívnych komponentoch (a v prípade potreby by sa mohol použiť nitrid kremíka). Okrem toho sú potrebné nové investície na obnovenie procesov leptania na úrovni doštičiek, techník heterointegrácie a testovania spoľahlivosti (problém s leptaním niobátom lítia nebol vo vlnovode, ale v dosiahnutí vysokovýťažného leptania na úrovni doštičiek). Preto, aby LTOI konkurovala zavedenej pozícii niobátu lítia, môže musieť objaviť ďalšie výhody. Akademicky však LTOI ponúka významný výskumný potenciál pre integrované systémy na čipe, ako sú elektrooptické hrebene s oktávovým rozsahom, PPLT, zariadenia s delením vlnových dĺžok solitónov a AWG a modulátory polí.
Čas uverejnenia: 8. novembra 2024