Materiał cienkowarstwowy z tantalanu litu (LTOI) wyłania się jako znacząca nowa siła w dziedzinie zintegrowanej optyki. W tym roku opublikowano kilka prac wysokiego szczebla na temat modulatorów LTOI, z wysokiej jakości płytkami LTOI dostarczonymi przez profesora Xin Ou z Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology oraz wysokiej jakości procesami trawienia falowodów opracowanymi przez grupę profesora Kippenberga w EPFL w Szwajcarii. Ich wspólne wysiłki przyniosły imponujące wyniki. Ponadto zespoły badawcze z Uniwersytetu Zhejiang pod przewodnictwem profesora Liu Liu i Uniwersytetu Harvarda pod przewodnictwem profesora Loncara również opublikowały raporty na temat szybkich, wysoce stabilnych modulatorów LTOI.
Jako bliski krewny cienkowarstwowego niobianu litu (LNOI), LTOI zachowuje modulację dużej prędkości i niskie straty niobianu litu, oferując jednocześnie zalety takie 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 w porównaniu z 2,21
Oznacza to, że wymiary falowodu jednomodowego, promień gięcia i typowe rozmiary urządzeń pasywnych oparte na obu materiałach są bardzo podobne, a ich wydajność sprzęgania włókien jest również porównywalna. Przy dobrym trawieniu falowodu oba materiały mogą osiągnąć stratę wstawiania wynoszącą<0,1 dB/cm. EPFL podaje tłumienie falowodu na poziomie 5,6 dB/m.
②Współczynnik elektrooptyczny:30,5 pm/V w porównaniu do 30,9 pm/V
Wydajność modulacji jest porównywalna dla obu materiałów, przy czym modulacja oparta na efekcie Pockelsa umożliwia dużą przepustowość. Obecnie modulatory LTOI są w stanie osiągnąć wydajność 400G 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 wieczorem/V kontra 27 wieczorem/V
W przypadku zastosowań nieliniowych, takich jak generacja drugiej harmonicznej (SHG), generacja częstotliwości różnicowej (DFG) lub generacja częstotliwości sumarycznej (SFG), sprawności konwersji obu materiałów powinny być dość podobne.
◆ Zaleta kosztowa LTOI w porównaniu z LNOI
①Niższe koszty przygotowania płytek
LNOI wymaga implantacji jonów He do separacji warstw, co ma niską wydajność jonizacji. Natomiast LTOI wykorzystuje implantację jonów H do separacji, podobnie jak SOI, z wydajnością delaminacji ponad 10 razy wyższą niż LNOI. Powoduje to znaczną różnicę cenową dla płytek 6-calowych: 300 USD w porównaniu do 2000 USD, co oznacza redukcję kosztów o 85%.
②Jest już szeroko stosowany na rynku elektroniki użytkowej do filtrów akustycznych(750 000 sztuk rocznie, używane przez Samsung, Apple, Sony itp.).
◆ 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 interfejsie falowodu. Jeśli nie były leczone, ustabilizowanie tych urządzeń mogło zająć do jednego dnia. Jednak opracowano różne metody rozwiązania tego problemu, takie jak stosowanie powłoki z tlenku metalu, polaryzacji podłoża i wyżarzania, dzięki czemu problem ten jest obecnie w dużej mierze możliwy do opanowania.
Natomiast LTOI ma mniej defektów materiałowych, co prowadzi do znacznie zmniejszonych zjawisk dryfu. Nawet bez dodatkowego przetwarzania jego punkt pracy pozostaje stosunkowo stabilny. Podobne wyniki zgłosiły EPFL, Harvard i Zhejiang University. Jednak porównanie często wykorzystuje nieobrobione modulatory LNOI, co może nie być do końca sprawiedliwe; po przetworzeniu wydajność obu materiałów jest prawdopodobnie podobna. Główna różnica polega na tym, że LTOI wymaga mniej dodatkowych etapów przetwarzania.
②Niższa dwójłomność: 0,004 w porównaniu do 0,07
Wysoka dwójłomność niobianu litu (LNOI) może być czasami trudna, zwłaszcza że zagięcia falowodu mogą powodować sprzężenie modów i hybrydyzację modów. W cienkim LNOI zagięcie w falowodzie może częściowo przekształcić światło TE w światło TM, co komplikuje wytwarzanie niektórych urządzeń pasywnych, takich jak filtry.
Dzięki LTOI niższa dwójłomność eliminuje ten problem, co potencjalnie ułatwia opracowywanie wysokowydajnych urządzeń pasywnych. EPFL również zgłosiło znaczące wyniki, wykorzystując niską dwójłomność LTOI i brak przecinania modów, aby uzyskać generację grzebienia częstotliwości elektrooptycznej 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 ta, którą można uzyskać za pomocą niobianu litu. W porównaniu z optycznymi grzebieniami częstotliwości Kerra, grzebienie elektrooptyczne oferują zaletę braku progu i są bardziej stabilne, chociaż 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 przyszłych zastosowaniach Coherent Perfect Absorption (CPO)). Obecne poziomy mocy modułu optycznego prawdopodobnie nie uszkodzą niobianu litu.
④Niski efekt Ramana
Dotyczy to również zastosowań nieliniowych. Niobian litu ma silny efekt Ramana, który w zastosowaniach grzebienia częstotliwości optycznej Kerra może prowadzić do niepożądanej generacji światła Ramana i konkurencji wzmocnienia, uniemożliwiając osiągnięcie stanu solitonowego przez grzebienie częstotliwości optycznej niobanu litu x-cut. W przypadku LTOI efekt Ramana można stłumić poprzez projekt orientacji kryształu, umożliwiając generowanie solitonowego grzebienia częstotliwości optycznej przez LTOI x-cut. Umożliwia to monolityczną integrację grzebieni częstotliwości optycznej solitonów z modulatorami o dużej prędkości, co jest nieosiągalne 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 opracowaniem technologii heterointegracji (XOI) modulatory niobianu litu były wytwarzane przy użyciu dyfuzji tytanu, która wymaga wyżarzania w temperaturze ponad 1000°C, co czyni LTOI nieodpowiednim. Jednak wraz z dzisiejszym przejściem na stosowanie podłoży izolacyjnych i trawienia falowodów do formowania modulatora, temperatura Curie 610°C jest więcej niż wystarczająca.
◆ Czy cienkowarstwowy tantalan litu (LTOI) zastąpi cienkowarstwowy niobian litu (TFLN)?
Na podstawie aktualnych badań LTOI oferuje zalety w zakresie wydajności pasywnej, stabilności i kosztów produkcji na dużą skalę, bez widocznych wad. Jednak LTOI nie przewyższa niobianu litu pod względem wydajności modulacji, a problemy ze stabilnością LNOI mają znane rozwiązania. W przypadku modułów komunikacyjnych DR istnieje minimalne zapotrzebowanie na komponenty pasywne (a azotek krzemu może być użyty w razie potrzeby). Ponadto wymagane są nowe inwestycje w celu ponownego ustanowienia procesów trawienia na poziomie wafli, technik heterointegracji i testowania niezawodności (trudność w trawieniu niobianem litu nie polegała na falowodzie, ale na osiągnięciu trawienia na poziomie wafli o wysokiej wydajności). Dlatego też, aby konkurować z ugruntowaną pozycją niobianu litu, LTOI może musieć odkryć dalsze zalety. Jednak pod względem akademickim LTOI oferuje znaczny potencjał badawczy dla zintegrowanych systemów na chipie, takich jak grzebienie elektrooptyczne o rozpiętości oktawowej, PPLT, urządzenia z podziałem długości fali solitonowej i AWG oraz modulatory matrycowe.
Czas publikacji: 08-11-2024