Tynnfilmslitiumtantalat (LTOI)-materiale fremstår som en betydelig ny kraft innen integrert optikk. I år har flere høynivåarbeider om LTOI-modulatorer blitt publisert, med høykvalitets LTOI-wafere levert av professor Xin Ou fra Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, og høykvalitets bølgeleder-etsningsprosesser utviklet av professor Kippenbergs gruppe ved EPFL i Sveits. Samarbeidet deres har vist imponerende resultater. I tillegg har forskerteam fra Zhejiang University ledet av professor Liu Liu og Harvard University ledet av professor Loncar også rapportert om høyhastighets, høystabilitets LTOI-modulatorer.
Som en nær slektning av tynnfilmslitiumniobat (LNOI), beholder LTOI høyhastighetsmodulasjonen og lave tapsegenskapene til litiumniobat, samtidig som det tilbyr fordeler som lav kostnad, lav dobbeltbrytning og reduserte fotorefraktive effekter. En sammenligning av hovedegenskapene til de to materialene presenteres nedenfor.
◆ Likheter mellom litiumtantalat (LTOI) og litiumniobat (LNOI)
①Brytningsindeks:2.12 mot 2.21
Dette innebærer at dimensjonene, bøyeradiusen og vanlige passive enhetsstørrelser for enkeltmodusbølgeledere basert på begge materialene er svært like, og fiberkoblingsytelsen deres 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.
②Elektrooptisk koeffisient:30,5 pm/V mot 30,9 pm/V
Modulasjonseffektiviteten er sammenlignbar for begge materialene, med modulering basert på Pockels-effekten, noe som gir høy båndbredde. For tiden er LTOI-modulatorer i stand til å oppnå 400G per kjørefelt, med en båndbredde som overstiger 110 GHz.
③Båndgap:3,93 eV mot 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 de brukes til ikke-lineære applikasjoner som andre harmonisk generasjon (SHG), differansefrekvensgenerering (DFG) eller sumfrekvensgenerering (SFG), bør konverteringseffektiviteten til de to materialene være ganske like.
◆ Kostnadsfordel med LTOI vs. LNOI
①Lavere kostnader for tilberedning av wafere
LNOI krever He-ionimplantasjon for lagseparasjon, som har lav ioniseringseffektivitet. I motsetning til dette bruker LTOI H-ionimplantasjon for separasjon, tilsvarende 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 osv.).
◆ Ytelsesfordeler med LTOI vs. LNOI
①Færre materialdefekter, svakere fotorefraktiv effekt, mer stabilitet
I starten viste LNOI-modulatorer ofte biaspunktdrift, hovedsakelig på grunn av ladningsakkumulering forårsaket av defekter ved bølgeledergrensesnittet. Hvis disse enhetene ikke ble behandlet, kunne det ta opptil en dag å stabilisere seg. Imidlertid ble det utviklet ulike metoder for å løse dette problemet, for eksempel bruk av metalloksidkledning, substratpolarisering og gløding, noe som gjør dette problemet i stor grad håndterbart nå.
LTOI har derimot færre materialdefekter, noe som fører til betydelig reduserte driftfenomener. Selv uten ytterligere bearbeiding forblir driftspunktet relativt stabilt. Lignende resultater har blitt rapportert av EPFL, Harvard og Zhejiang University. Sammenligningen bruker imidlertid ofte ubehandlede LNOI-modulatorer, noe som kanskje ikke er helt rettferdig; med bearbeiding er ytelsen til begge materialene sannsynligvis lik. Hovedforskjellen ligger i at LTOI krever færre ytterligere behandlingstrinn.
②Nedre dobbeltbrytning: 0,004 vs. 0,07
Den høye dobbeltbrytningen til litiumniobat (LNOI) kan være utfordrende til tider, spesielt siden bølgelederbøyninger kan forårsake moduskobling og modushybridisering. I tynn LNOI kan en bøyning i bølgelederen delvis konvertere TE-lys til TM-lys, noe som kompliserer fabrikasjonen av visse passive enheter, som filtre.
Med LTOI eliminerer den lavere dobbeltbrytningen dette problemet, noe som potensielt gjør det enklere å utvikle passive enheter med høy ytelse. EPFL har også rapportert bemerkelsesverdige resultater, der de utnytter LTOIs lave dobbeltbrytning og fravær av moduskryssing for å oppnå ultrabredspektret elektrooptisk frekvenskamgenerering med flat dispersjonskontroll over et bredt spektralområde. Dette resulterte i en imponerende kambåndbredde på 450 nm med over 2000 kamlinjer, flere ganger større enn det som kan oppnås med litiumniobat. Sammenlignet med Kerr optiske frekvenskammer, tilbyr elektrooptiske kammer fordelen av å være terskelfrie og mer stabile, selv om de krever en høyeffekts mikrobølgeinngang.
③Høyere terskel for optisk skade
Terskelen for optisk skade ved LTOI er dobbelt så stor som ved LNOI, noe som gir en fordel i ikke-lineære applikasjoner (og potensielt fremtidige CPO-applikasjoner (Coherent Perfect Absorption). Nåværende effektnivåer for optiske moduler vil sannsynligvis ikke skade litiumniobat.
④Lav Raman-effekt
Dette gjelder også for ikke-lineære applikasjoner. Litiumniobat har en sterk Raman-effekt, som i Kerr optiske frekvenskam-applikasjoner kan føre til uønsket Raman-lysgenerering og få konkurranse, noe som forhindrer at x-kuttede litiumniobat optiske frekvenskammer når soliton-tilstanden. Med LTOI kan Raman-effekten undertrykkes gjennom krystallorienteringsdesign, slik at x-kuttet LTOI kan oppnå soliton optisk frekvenskamgenerering. Dette muliggjør monolittisk integrering av soliton optiske frekvenskammer med høyhastighetsmodulatorer, en bragd som ikke er oppnåelig med LNOI.
◆ Hvorfor ble ikke tynnfilmlitiumtantalat (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 hjelp av titandiffusjon, som krever gløding ved over 1000 °C, noe som gjør LTOI uegnet. Med dagens skifte mot bruk av isolasjonssubstrater og bølgelederetsing for modulatordannelse, er imidlertid en Curie-temperatur på 610 °C mer enn tilstrekkelig.
◆ Vil tynnfilmslitiumtantalat (LTOI) erstatte tynnfilmslitiumniobat (TFLN)?
Basert på nåværende forskning tilbyr LTOI fordeler innen passiv ytelse, stabilitet og storskala produksjonskostnader, uten åpenbare ulemper. LTOI overgår imidlertid ikke litiumniobat når det gjelder 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 gjenopprette wafer-nivåetsningsprosesser, heterointegrasjonsteknikker og pålitelighetstesting (vanskeligheten med litiumniobat-etsning var ikke bølgelederen, men å oppnå høytydelig wafer-nivåetsning). For å konkurrere med litiumniobats etablerte posisjon må LTOI derfor kanskje avdekke ytterligere fordeler. Akademisk sett tilbyr imidlertid LTOI et betydelig forskningspotensial for integrerte systemer på brikken, som oktavspennende elektrooptiske kammer, PPLT, soliton- og AWG-bølgelengdedelingsenheter og array-modulatorer.
Publisert: 08. november 2024