Cienkowarstwowy materiał z tantalanu litu (LTOI) staje się nową, znaczącą siłą w dziedzinie zintegrowanej optyki. W tym roku opublikowano kilka prac wysokiego szczebla na temat modulatorów LTOI, w tym wysokiej jakości płytki LTOI dostarczone przez profesora Xin Ou z Szanghajskiego Instytutu Mikrosystemów i Technologii Informacyjnych oraz wysokiej jakości procesy trawienia falowodów opracowane przez grupę profesora Kippenberga w EPFL , Szwajcaria. Ich wspólne wysiłki przyniosły imponujące rezultaty. Ponadto zespoły badawcze z Uniwersytetu Zhejiang pod kierunkiem profesora Liu Liu i Uniwersytetu Harvarda pod kierunkiem profesora Loncara również przedstawiły raporty na temat szybkich i stabilnych modulatorów LTOI.
Jako bliski krewny cienkowarstwowego niobianu litu (LNOI), LTOI zachowuje wysoką prędkość modulacji i właściwości niskostratne niobianu litu, oferując jednocześnie zalety, takie jak niski koszt, niska dwójłomność i zmniejszone efekty fotorefrakcyjne. Poniżej przedstawiono porównanie głównych właściwości obu materiałów.
◆ Podobieństwa pomiędzy tantalanem litu (LTOI) i niobiatem litu (LNOI)
①Współczynnik załamania światła:2.12 kontra 2.21
Oznacza to, że wymiary falowodu jednomodowego, promień zgięcia i rozmiary typowych urządzeń pasywnych opartych na obu materiałach są bardzo podobne, a wydajność sprzęgania ich włókien jest również porównywalna. Przy dobrym trawieniu falowodu oba materiały mogą osiągnąć stratę wtrąceniową wynoszącą<0,1 dB/cm. EPFL zgłasza stratę falowodu na poziomie 5,6 dB/m.
②Współczynnik elektrooptyczny:30,5 pm/V w porównaniu z 30,9 pm/V
Skuteczność modulacji jest porównywalna dla obu materiałów, przy czym modulacja opiera się na efekcie Pockelsa, co pozwala na uzyskanie dużej przepustowości. Obecnie modulatory LTOI są w stanie osiągnąć wydajność 400 G na linię, przy szerokości pasma przekraczającej 110 GHz.
③Pasmo wzbronione:3,93 eV w porównaniu z 3,78 eV
Obydwa materiały charakteryzują się szerokim, przezroczystym oknem, obsługującym zastosowania w zakresie fal widzialnych i podczerwonych, bez absorpcji w pasmach komunikacyjnych.
④Współczynnik nieliniowy drugiego rzędu (d33):21:00/V w porównaniu z 27:00/V
W przypadku zastosowań nieliniowych, takich jak generowanie drugiej harmonicznej (SHG), generowanie różnicy częstotliwości (DFG) lub generowanie sumy częstotliwości (SFG), wydajności konwersji obu materiałów powinny być dość podobne.
◆ Przewaga kosztowa LTOI w porównaniu z LNOI
①Niższy koszt przygotowania wafla
LNOI wymaga implantacji jonów He w celu rozdzielenia warstw, co ma niską skuteczność jonizacji. Natomiast LTOI wykorzystuje do separacji implantację jonów H, podobnie jak SOI, z wydajnością rozwarstwiania ponad 10 razy wyższą niż LNOI. Skutkuje to znaczną różnicą cen płytek 6-calowych: 300 USD w porównaniu z 2000 USD, co oznacza redukcję kosztów o 85%.
②Jest już szeroko stosowany na rynku elektroniki użytkowej do filtrów akustycznych(750 000 sztuk rocznie, używanych przez Samsunga, Apple, Sony itp.).
◆ Zalety wydajności LTOI w porównaniu z LNOI
①Mniej wad materiałowych, słabszy efekt fotorefrakcji, większa stabilność
Początkowo modulatory LNOI często wykazywały dryf punktu polaryzacji, głównie z powodu akumulacji ładunku spowodowanej defektami na granicy falowodu. W przypadku braku leczenia stabilizacja tych urządzeń może zająć nawet jeden dzień. Jednakże opracowano różne metody rozwiązania tego problemu, takie jak zastosowanie platerowania tlenkiem metalu, polaryzacja podłoża i wyżarzanie, dzięki czemu problem ten jest obecnie w dużej mierze możliwy do rozwiązania.
Natomiast LTOI ma mniej wad materiałowych, co prowadzi do znacznie zmniejszonego zjawiska dryfu. Nawet bez dodatkowej obróbki jego punkt pracy pozostaje stosunkowo stabilny. Podobne wyniki podają EPFL, Harvard i Uniwersytet Zhejiang. Jednakże w porównaniu często wykorzystuje się nietraktowane modulatory LNOI, co może nie być całkowicie uczciwe; po przetworzeniu działanie obu materiałów jest prawdopodobnie podobne. Główna różnica polega na tym, że LTOI wymaga mniejszej liczby dodatkowych etapów przetwarzania.
②Dolna dwójłomność: 0,004 vs 0,07
Wysoka dwójłomność niobianu litu (LNOI) może czasami stanowić wyzwanie, zwłaszcza że zagięcia falowodu mogą powodować sprzężenie modów i hybrydyzację modów. W cienkich LNOI zagięcie falowodu może częściowo przekształcić światło TE w światło TM, co komplikuje produkcję niektórych urządzeń pasywnych, takich jak filtry.
Dzięki LTOI niższa dwójłomność eliminuje ten problem, potencjalnie ułatwiając opracowywanie wysokowydajnych urządzeń pasywnych. EPFL również zgłosiło godne uwagi wyniki, wykorzystując niską dwójłomność LTOI i brak krzyżowania modów, aby uzyskać generację elektrooptycznego grzebienia częstotliwości o ultraszerokim spektrum z płaską kontrolą dyspersji w szerokim zakresie widmowym. Zaowocowało to imponującą szerokością pasma grzebienia 450 nm z ponad 2000 liniami grzebienia, kilkakrotnie większą niż to, co można osiągnąć w przypadku niobianu litu. W porównaniu do optycznych grzebieni częstotliwości firmy Kerr, grzebienie elektrooptyczne mają tę zaletę, że nie wymagają progów i są bardziej stabilne, chociaż wymagają wejścia mikrofalowego o dużej mocy.
③Wyższy próg uszkodzenia optycznego
Próg uszkodzenia optycznego LTOI jest dwukrotnie większy niż LNOI, co zapewnia przewagę w zastosowaniach nieliniowych (i potencjalnie przyszłych zastosowaniach z doskonałą absorpcją koherentną (CPO)). Jest mało prawdopodobne, aby obecne poziomy mocy modułów optycznych spowodowały uszkodzenie niobianu litu.
④Niski efekt Ramana
Dotyczy to również zastosowań nieliniowych. Nioban litu ma silny efekt Ramana, co w zastosowaniach grzebienia częstotliwości optycznych Kerra może prowadzić do niepożądanego generowania światła Ramana i zyskać konkurencję, uniemożliwiając osiągnięcie stanu solitonu przez grzebienie częstotliwości optycznej niobianu litu typu x-cut. Dzięki LTOI efekt Ramana można stłumić poprzez konstrukcję orientacji kryształu, umożliwiając x-cut LTOI w celu uzyskania solitonowego grzebienia częstotliwości optycznej. Umożliwia to monolityczną integrację solitonowych grzebieni częstotliwości optycznych z szybkimi modulatorami, co jest osiągnięciem nieosiągalnym w przypadku LNOI.
◆ Dlaczego nie wspomniano wcześniej o cienkowarstwowym tantalanie litu (LTOI)?
Tantalan litu ma niższą temperaturę Curie niż niobinian litu (610°C w porównaniu do 1157°C). Przed rozwojem technologii heterointegracji (XOI) modulatory niobianu litu wytwarzano metodą dyfuzji tytanu, która wymaga wyżarzania w temperaturze ponad 1000°C, co czyniło LTOI nieodpowiednim. Jednakże, biorąc pod uwagę dzisiejsze przejście w kierunku stosowania podłoży izolacyjnych i trawienia falowodowego do tworzenia modulatora, temperatura Curie wynosząca 610°C jest więcej niż wystarczająca.
◆ Czy cienkowarstwowy tantalan litu (LTOI) zastąpi cienkowarstwowy niobian litu (TFLN)?
W oparciu o aktualne badania LTOI oferuje zalety w zakresie wydajności pasywnej, stabilności i kosztów produkcji na dużą skalę, bez widocznych wad. Jednakże LTOI nie przewyższa niobianu litu pod względem wydajności modulacji, a problemy ze stabilnością w przypadku LNOI mają znane rozwiązania. W przypadku modułów komunikacyjnych DR zapotrzebowanie na elementy pasywne jest minimalne (w razie potrzeby można zastosować azotek krzemu). Ponadto potrzebne są nowe inwestycje w celu przywrócenia procesów trawienia na poziomie płytek, technik heterointegracji i testowania niezawodności (trudnością w procesie trawienia niobianu litu nie był problem falowodu, ale uzyskanie wysokowydajnego trawienia na poziomie płytki). Dlatego też, aby konkurować z ugruntowaną pozycją niobianu litu, LTOI może potrzebować odkryć dalsze zalety. Jednakże pod względem akademickim LTOI oferuje znaczny potencjał badawczy w zakresie zintegrowanych systemów wbudowanych w chipy, takich jak grzebienie elektrooptyczne rozciągające się na oktawy, urządzenia do podziału długości fali PPLT, solitonu i AWG oraz modulatory macierzowe.
Czas publikacji: 8 listopada 2024 r