Tynnfilm litiumtantalat (LTOI)-materiale dukker opp som en betydelig ny kraft i det integrerte optikkfeltet. I år har det blitt publisert flere arbeider på høyt nivå om LTOI-modulatorer, med høykvalitets LTOI-wafere levert av professor Xin Ou fra Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, og høykvalitets bølgelederetseprosesser utviklet av professor Kippenbergs gruppe ved EPFL , Sveits. Deres samarbeidsinnsats har vist imponerende resultater. I tillegg har forskningsteam fra Zhejiang University ledet av professor Liu Liu og Harvard University ledet av professor Loncar også rapportert om høyhastighets, høystabile LTOI-modulatorer.
Som en nær slektning av tynnfilm litiumniobat (LNOI), beholder LTOI høyhastighetsmodulasjonen og lavtapsegenskapene til litiumniobat, samtidig som den tilbyr fordeler som lav pris, lav dobbeltbrytning og reduserte fotobrytningseffekter. En sammenligning av hovedegenskapene til de to materialene er presentert nedenfor.
◆ Likheter mellom litiumtantalat (LTOI) og litiumniobat (LNOI)
①Brytningsindeks:2,12 mot 2,21
Dette innebærer at enkeltmodusbølgelederdimensjonene, bøyeradius og vanlige passive enhetsstørrelser basert på begge materialene er svært like, og deres fiberkoblingsytelse er også sammenlignbar. Med god bølgelederetsing kan begge materialene oppnå et innsettingstap på<0,1 dB/cm. EPFL rapporterer et bølgeledertap på 5,6 dB/m.
②Elektro-optisk koeffisient:30.5 pm/V vs 30.9 pm/V
Moduleringseffektiviteten er sammenlignbar for begge materialene, med modulering basert på Pockels-effekten, noe som gir høy båndbredde. Foreløpig er LTOI-modulatorer i stand til å oppnå 400G ytelse per kjørefelt, med en båndbredde som overstiger 110 GHz.
③Bandgap:3,93 eV vs 3,78 eV
Begge materialene har et bredt gjennomsiktig vindu, som støtter bruksområder fra synlige til infrarøde bølgelengder, uten absorpsjon i kommunikasjonsbåndene.
④Andreordens ikke-lineær koeffisient (d33):21.00/V vs. 27.00/V
Hvis det brukes til ikke-lineære applikasjoner som andre harmoniske generasjon (SHG), forskjellsfrekvensgenerering (DFG) eller sumfrekvensgenerering (SFG), bør konverteringseffektivitetene til de to materialene være ganske like.
◆ Kostnadsfordel ved LTOI vs LNOI
①Lavere kostnad for tilberedning av wafer
LNOI krever He-ion-implantasjon for lagseparasjon, som har lav ioniseringseffektivitet. I kontrast bruker LTOI H-ionimplantasjon for separasjon, lik SOI, med en delamineringseffektivitet som er over 10 ganger høyere enn LNOI. Dette resulterer i en betydelig prisforskjell for 6-tommers wafere: $300 vs. $2000, en kostnadsreduksjon på 85 %.
②Det er allerede mye brukt i forbrukerelektronikkmarkedet for akustiske filtre(750 000 enheter årlig, brukt av Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Ytelsesfordeler med LTOI vs LNOI
①Færre materialfeil, svakere lysbrytningseffekt, mer stabilitet
Opprinnelig viste LNOI-modulatorer ofte skjevpunktsdrift, først og fremst på grunn av ladningsakkumulering forårsaket av defekter ved bølgeledergrensesnittet. Hvis disse enhetene ikke behandles, kan det ta opptil en dag å stabilisere seg. Imidlertid ble forskjellige metoder utviklet for å løse dette problemet, for eksempel bruk av metalloksidkledning, substratpolarisering og gløding, noe som gjør dette problemet stort sett håndterbart nå.
I motsetning til dette har LTOI færre materialfeil, noe som fører til betydelig reduserte driftfenomener. Selv uten ytterligere behandling forblir driftspunktet relativt stabilt. Lignende resultater er rapportert av EPFL, Harvard og Zhejiang University. Imidlertid bruker sammenligningen ofte ubehandlede LNOI-modulatorer, noe som kanskje ikke er helt rettferdig; med prosessering er ytelsen til begge materialene sannsynligvis lik. Hovedforskjellen ligger i at LTOI krever færre ekstra behandlingstrinn.
②Nedre dobbeltbrytning: 0,004 mot 0,07
Den høye dobbeltbrytningen av litiumniobat (LNOI) kan til tider være utfordrende, spesielt ettersom bølgelederbøyninger kan forårsake moduskobling og modushybridisering. I tynn LNOI kan en bøyning i bølgelederen delvis konvertere TE-lys til TM-lys, noe som kompliserer fremstillingen av visse passive enheter, som filtre.
Med LTOI eliminerer den lavere dobbeltbrytningen dette problemet, noe som potensielt gjør det lettere å utvikle passive enheter med høy ytelse. EPFL har også rapportert bemerkelsesverdige resultater, ved å utnytte LTOIs lave dobbeltbrytning og fravær av moduskryss for å oppnå ultrabredspektret elektro-optisk frekvenskamgenerering med flat spredningskontroll over et bredt spektralområde. Dette resulterte i en imponerende 450 nm kambåndbredde med over 2000 kamlinjer, flere ganger større enn det som kan oppnås med litiumniobat. Sammenlignet med Kerr optiske frekvenskammer, gir elektrooptiske kammer fordelen av å være terskelfrie og mer stabile, selv om de krever en høyeffekts mikrobølgeinngang.
③Høyere optisk skadeterskel
Den optiske skadeterskelen til LTOI er dobbelt så stor som LNOI, og gir en fordel i ikke-lineære applikasjoner (og potensielt fremtidige Coherent Perfect Absorption (CPO) applikasjoner). Gjeldende strømnivåer for optiske moduler vil neppe skade litiumniobat.
④Lav Raman-effekt
Dette gjelder også ikke-lineære applikasjoner. Litiumniobat har en sterk Raman-effekt, som i Kerrs optiske frekvenskamapplikasjoner kan føre til uønsket Raman-lysgenerering og få konkurranse, og forhindrer x-cut litiumniobatoptiske frekvenskammer i å nå solitontilstanden. Med LTOI kan Raman-effekten undertrykkes gjennom krystallorienteringsdesign, slik at x-cut LTOI kan oppnå generering av soliton optisk frekvenskam. Dette muliggjør monolittisk integrasjon av soliton optiske frekvenskammer med høyhastighetsmodulatorer, en bragd som ikke er oppnåelig med LNOI.
◆ Hvorfor ble ikke tynnfilm litiumtantalat (LTOI) nevnt tidligere?
Litiumtantalat har en lavere Curie-temperatur enn litiumniobat (610°C vs. 1157°C). Før utviklingen av heterointegrasjonsteknologi (XOI), ble litiumniobatmodulatorer produsert ved bruk av titandifusjon, som krever utglødning ved over 1000 °C, noe som gjør LTOI uegnet. Men med dagens skifte mot å bruke isolatorsubstrater og bølgelederetsing for modulatordannelse, er en Curie-temperatur på 610°C mer enn tilstrekkelig.
◆ Vil tynnfilmlitiumtantalat (LTOI) erstatte tynnfilmlitiumniobat (TFLN)?
Basert på nåværende forskning, tilbyr LTOI fordeler i passiv ytelse, stabilitet og storskala produksjonskostnader, uten tilsynelatende ulemper. Imidlertid overgår ikke LTOI litiumniobat i modulasjonsytelse, og stabilitetsproblemer med LNOI har kjente løsninger. For kommunikasjons-DR-moduler er det minimal etterspørsel etter passive komponenter (og silisiumnitrid kan brukes om nødvendig). I tillegg kreves det nye investeringer for å reetablere etseprosesser på wafer-nivå, heterointegrasjonsteknikker og pålitelighetstesting (vanskeligheten med litiumniobatetsing var ikke bølgelederen, men å oppnå høyytelses wafer-nivåetsing). Derfor, for å konkurrere med litiumniobats etablerte posisjon, kan det hende at LTOI må avdekke ytterligere fordeler. Akademisk gir imidlertid LTOI betydelig forskningspotensial for integrerte on-chip-systemer, slik som oktavspennende elektrooptiske kammer, PPLT, soliton og AWG bølgelengdedivisjonsenheter og array-modulatorer.
Innleggstid: Nov-08-2024