Cienkowarstwowy tantalan litu (LTOI) wyłania się jako nowy, znaczący potencjał w dziedzinie optyki zintegrowanej. W tym roku opublikowano kilka prac naukowych 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 z EPFL w Szwajcarii. Ich wspólne wysiłki przyniosły imponujące rezultaty. Ponadto, zespoły badawcze z Uniwersytetu Zhejiang pod kierownictwem profesora Liu Liu oraz Uniwersytetu Harvarda pod kierownictwem profesora Loncara również opublikowały raporty dotyczące szybkich i stabilnych modulatorów LTOI.
Jako bliski krewny cienkowarstwowego niobianu litu (LNOI), LTOI zachowuje wysoką szybkość modulacji i niskie straty niobianu litu, oferując jednocześnie takie zalety, jak niski koszt, niska dwójłomność i zmniejszone efekty fotorefrakcyjne. Poniżej przedstawiono porównanie głównych cech obu materiałów.
◆ Podobieństwa między tantalanem litu (LTOI) a niobianem litu (LNOI)
①Współczynnik załamania światła:2,12 vs 2,21
Oznacza to, że wymiary falowodu jednomodowego, promień gięcia i typowe rozmiary elementów pasywnych w obu materiałach są bardzo podobne, a ich wydajność sprzęgania włókien jest również porównywalna. Przy dobrym trawieniu falowodu oba materiały mogą osiągnąć stratę wtrąceniową rzędu<0,1 dB/cm. EPFL podaje tłumienie falowodu na poziomie 5,6 dB/m.
②Współczynnik elektrooptyczny:30,5 po południu/V vs 30,9 po południu/V
Wydajność modulacji jest porównywalna dla obu materiałów, a modulacja oparta na efekcie Pockelsa zapewnia wysoką przepustowość. Obecnie modulatory LTOI osiągają wydajność 400 GHz na pasmo, przy przepustowości przekraczającej 110 GHz.
③Przerwa pasmowa:3,93 eV w porównaniu do 3,78 eV
Oba materiały charakteryzują się szerokim, przezroczystym oknem, co umożliwia ich zastosowanie w zakresie fal od widzialnych do podczerwonych, bez absorpcji w pasmach komunikacyjnych.
④Współczynnik nieliniowy drugiego rzędu (d33):21:00/V vs 27:00/V
W przypadku zastosowań nieliniowych, takich jak generacja drugiej harmonicznej (SHG), generacja częstotliwości różnicowej (DFG) lub generacja częstotliwości sumarycznej (SFG), wydajność konwersji obu materiałów powinna być dość podobna.
◆ Zaleta kosztowa LTOI w porównaniu z LNOI
①Niższy koszt przygotowania wafli
LNOI wymaga implantacji jonów helu do separacji warstw, co charakteryzuje się niską wydajnością jonizacji. Natomiast LTOI wykorzystuje implantację jonów wodoru do separacji, podobnie jak SOI, z wydajnością delaminacji ponad 10-krotnie wyższą niż LNOI. Powoduje to znaczną różnicę w cenie 6-calowych płytek: 300 USD vs. 2000 USD, co oznacza redukcję kosztów o 85%.
②Jest już szeroko stosowany na rynku elektroniki użytkowej w filtrach akustycznych(750 000 sztuk rocznie, używane przez Samsunga, Apple, Sony itd.).
◆ Zalety wydajnościowe LTOI w porównaniu z LNOI
①Mniej wad materiałowych, słabszy efekt fotorefrakcyjny, większa stabilność
Początkowo modulatory LNOI często wykazywały dryft punktu polaryzacji, głównie z powodu akumulacji ładunku spowodowanej defektami na styku falowodu. Bez odpowiedniej korekty, stabilizacja tych urządzeń mogła trwać nawet jeden dzień. Opracowano jednak różne metody rozwiązania tego problemu, takie jak zastosowanie powłoki z tlenku metalu, polaryzacja podłoża i wyżarzanie, dzięki czemu problem ten jest obecnie w dużej mierze możliwy do opanowania.
W przeciwieństwie do tego, LTOI ma mniej defektów materiałowych, co prowadzi do znacznego ograniczenia zjawiska dryfu. Nawet bez dodatkowej obróbki, jego punkt pracy pozostaje względnie stabilny. Podobne wyniki zanotowano na EPFL, Uniwersytecie Harvarda i Uniwersytecie Zhejiang. Jednak w porównaniu często wykorzystuje się nieobrobione modulatory LNOI, co może nie być do końca sprawiedliwe; po obróbce wydajność obu materiałów jest prawdopodobnie podobna. Główna różnica polega na tym, że LTOI wymaga mniej dodatkowych etapów obróbki.
②Niższa dwójłomność: 0,004 w porównaniu do 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 w falowodzie może częściowo przekształcić światło TE w światło TM, co komplikuje produkcję niektórych urządzeń pasywnych, takich jak filtry.
Dzięki LTOI, niższa dwójłomność eliminuje ten problem, co potencjalnie ułatwia opracowywanie wysokowydajnych urządzeń pasywnych. EPFL również opublikowało znaczące wyniki, wykorzystując niską dwójłomność LTOI i brak przecięcia modów, aby uzyskać generację grzebienia częstotliwości elektrooptycznych o ultraszerokim spektrum z płaską kontrolą dyspersji w szerokim zakresie widmowym. Zaowocowało to imponującą szerokością pasma grzebieniowego 450 nm z ponad 2000 liniami grzebieniowymi, kilkakrotnie większą niż w przypadku niobianu litu. W porównaniu z optycznymi grzebieniami częstotliwości Kerra, grzebienie elektrooptyczne oferują zaletę braku progu i większej stabilności, choć wymagają wejścia mikrofalowego o dużej mocy.
③Wyższy próg uszkodzenia optycznego
Próg uszkodzenia optycznego LTOI jest dwukrotnie wyższy niż LNOI, co daje przewagę w zastosowaniach nieliniowych (i potencjalnie w przyszłych zastosowaniach z koherentną absorpcją doskonałą (CPO)). Obecne poziomy mocy modułów optycznych prawdopodobnie nie spowodują uszkodzenia niobianu litu.
④Niski efekt Ramana
Dotyczy to również zastosowań nieliniowych. Niobian litu wykazuje silny efekt Ramana, który w zastosowaniach z optycznym grzebieniem częstotliwości Kerra może prowadzić do niepożądanej generacji światła Ramana i konkurencji o wzmocnienie, uniemożliwiając grzebieniom częstotliwości optycznych niobianu litu typu x-cut osiągnięcie stanu solitonu. W przypadku LTOI efekt Ramana można stłumić poprzez zastosowanie orientacji kryształu, co pozwala LTOI typu x-cut na generowanie solitonowego grzebienia częstotliwości optycznej. Umożliwia to monolityczną integrację solitonowych grzebieni częstotliwości optycznej z szybkimi modulatorami, co jest niemożliwe w przypadku LNOI.
◆ Dlaczego wcześniej nie wspomniano o cienkowarstwowym tantalanie litu (LTOI)?
Tantalan litu ma niższą temperaturę Curie niż niobian litu (610°C w porównaniu z 1157°C). Przed rozwojem technologii heterointegracji (XOI), modulatory z niobianu litu były wytwarzane metodą dyfuzji tytanu, która wymaga wyżarzania w temperaturze ponad 1000°C, co czyniło LTOI nieodpowiednim. Jednak wraz z rosnącą tendencją do stosowania podłoży izolacyjnych i trawienia falowodów do formowania modulatorów, temperatura Curie 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 modulacyjnej, a problemy ze stabilnością LTOI mają znane rozwiązania. W przypadku modułów komunikacyjnych DR zapotrzebowanie na komponenty pasywne jest minimalne (a w razie potrzeby można zastosować azotek krzemu). Ponadto, konieczne są nowe inwestycje w celu przywrócenia procesów trawienia na poziomie wafli, technik heterointegracji i testowania niezawodności (problem z trawieniem niobianem litu nie polegał na falowodzie, ale na osiągnięciu trawienia na poziomie wafli o wysokiej wydajności). Dlatego, aby konkurować z ugruntowaną pozycją niobianu litu, LTOI może potrzebować odkryć dalsze zalety. Z naukowego punktu widzenia LTOI oferuje jednak znaczący potencjał badawczy dla zintegrowanych systemów on-chip, takich jak grzebienie elektrooptyczne o rozpiętości oktawowej, diody PPLT, solitony i układy AWG z podziałem długości fali oraz modulatory matrycowe.
Czas publikacji: 08-11-2024