Tyndfilms lithiumtantalat (LTOI) materiale dukker op som en væsentlig ny kraft inden for det integrerede optikfelt. I år er der udgivet flere værker på højt niveau om LTOI-modulatorer, med højkvalitets LTOI-wafere leveret af professor Xin Ou fra Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology og højkvalitets bølgelederætsningsprocesser udviklet af professor Kippenbergs gruppe ved EPFL , Schweiz. Deres samarbejde har vist imponerende resultater. Derudover har forskerhold fra Zhejiang University ledet af professor Liu Liu og Harvard University ledet af professor Loncar også rapporteret om højhastigheds, højstabile LTOI-modulatorer.
Som en nær slægtning til tyndfilmslithiumniobat (LNOI) bevarer LTOI højhastighedsmodulationen og lavtabsegenskaberne for lithiumniobat, mens den også tilbyder fordele såsom lave omkostninger, lav dobbeltbrydning og reducerede fotorefraktive effekter. En sammenligning af de to materialers hovedegenskaber er præsenteret nedenfor.
◆ Ligheder mellem lithiumtantalat (LTOI) og lithiumniobat (LNOI)
①Brydningsindeks:2,12 mod 2,21
Dette indebærer, at single-mode bølgelederdimensionerne, bøjningsradius og almindelige passive enhedsstørrelser baseret på begge materialer er meget ens, og deres fiberkoblingsydelse er også sammenlignelig. Med god bølgelederætsning kan begge materialer opnå et indføringstab på<0,1 dB/cm. EPFL rapporterer et bølgeledertab på 5,6 dB/m.
②Elektro-optisk koefficient:30.5 pm/V vs 30.9 pm/V
Modulationseffektiviteten er sammenlignelig for begge materialer, med modulering baseret på Pockels-effekten, hvilket giver mulighed for høj båndbredde. I øjeblikket er LTOI-modulatorer i stand til at opnå 400G per baneydelse med en båndbredde på over 110 GHz.
③Båndgap:3,93 eV vs 3,78 eV
Begge materialer har et bredt gennemsigtigt vindue, der understøtter applikationer fra synlige til infrarøde bølgelængder, uden absorption i kommunikationsbåndene.
④Andenordens ikke-lineær koefficient (d33):21 pm/V vs 27 pm/V
Hvis det bruges til ikke-lineære applikationer såsom anden harmonisk generation (SHG), differensfrekvensgenerering (DFG) eller sumfrekvensgenerering (SFG), bør konverteringseffektiviteten af de to materialer være ret ens.
◆ Omkostningsfordele ved LTOI vs. LNOI
①Lavere omkostninger til forberedelse af wafer
LNOI kræver He-ionimplantation til lagadskillelse, som har lav ioniseringseffektivitet. I modsætning hertil bruger LTOI H-ionimplantation til separation, svarende til SOI, med en delamineringseffektivitet over 10 gange højere end LNOI. Dette resulterer i en betydelig prisforskel for 6-tommers wafere: $300 vs. $2000, en 85% omkostningsreduktion.
②Det er allerede meget brugt på forbrugerelektronikmarkedet til akustiske filtre(750.000 enheder årligt, brugt af Samsung, Apple, Sony osv.).
◆ Ydeevnefordele ved LTOI vs LNOI
①Færre materialefejl, svagere fotorefraktiv effekt, mere stabilitet
Oprindeligt udviste LNOI-modulatorer ofte bias point-drift, primært på grund af ladningsakkumulering forårsaget af defekter ved bølgeledergrænsefladen. Hvis disse enheder ikke behandles, kan det tage op til en dag at stabilisere sig. Imidlertid blev der udviklet forskellige metoder til at løse dette problem, såsom brug af metaloxidbeklædning, substratpolarisering og udglødning, hvilket gør dette problem stort set overskueligt nu.
I modsætning hertil har LTOI færre materialefejl, hvilket fører til væsentligt reducerede driftfænomener. Selv uden yderligere forarbejdning forbliver dets driftspunkt relativt stabilt. Lignende resultater er blevet rapporteret af EPFL, Harvard og Zhejiang University. Sammenligningen bruger dog ofte ubehandlede LNOI-modulatorer, hvilket måske ikke er helt fair; med forarbejdning er ydeevnen af begge materialer sandsynligvis ens. Den største forskel ligger i, at LTOI kræver færre yderligere behandlingstrin.
②Nedre dobbeltbrydning: 0,004 vs. 0,07
Den høje dobbeltbrydning af lithiumniobat (LNOI) kan til tider være udfordrende, især da bølgelederbøjninger kan forårsage moduskobling og modushybridisering. I tynd LNOI kan en bøjning i bølgelederen delvist konvertere TE-lys til TM-lys, hvilket komplicerer fremstillingen af visse passive enheder, såsom filtre.
Med LTOI eliminerer den lavere dobbeltbrydning dette problem, hvilket potentielt gør det lettere at udvikle højtydende passive enheder. EPFL har også rapporteret bemærkelsesværdige resultater ved at udnytte LTOI's lave dobbeltbrydning og fravær af moduskrydsning for at opnå ultrabredspektret elektro-optisk frekvenskamgenerering med flad spredningskontrol over et bredt spektralområde. Dette resulterede i en imponerende 450 nm kambåndbredde med over 2000 kamlinjer, flere gange større end hvad der kan opnås med lithiumniobat. Sammenlignet med Kerr optiske frekvenskamme tilbyder elektrooptiske kamme fordelen ved at være tærskelfri og mere stabile, selvom de kræver en højeffekt mikrobølgeindgang.
③Højere optisk skadetærskel
Den optiske skadestærskel for LTOI er dobbelt så stor som LNOI, hvilket giver en fordel i ikke-lineære applikationer (og potentielt fremtidige Coherent Perfect Absorption (CPO) applikationer). Det er usandsynligt, at det aktuelle optiske moduls effektniveau beskadiger lithiumniobat.
④Lav Raman-effekt
Dette gælder også for ikke-lineære applikationer. Lithiumniobat har en stærk Raman-effekt, som i Kerr optiske frekvenskamme-applikationer kan føre til uønsket Raman-lysgenerering og vinde konkurrence, hvilket forhindrer x-cut optiske frekvenskamme af lithiumniobat i at nå solitontilstanden. Med LTOI kan Raman-effekten undertrykkes gennem krystalorienteringsdesign, hvilket tillader x-cut LTOI at opnå soliton optisk frekvenskamgenerering. Dette muliggør den monolitiske integration af soliton optiske frekvenskamme med højhastighedsmodulatorer, en bedrift, der ikke kan opnås med LNOI.
◆ Hvorfor blev Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) ikke nævnt tidligere?
Lithiumtantalat har en lavere Curie-temperatur end lithiumniobat (610°C vs. 1157°C). Før udviklingen af heterointegrationsteknologi (XOI) blev lithiumniobatmodulatorer fremstillet ved hjælp af titaniumdiffusion, som kræver udglødning ved over 1000°C, hvilket gør LTOI uegnet. Men med dagens skift mod at bruge isolatorsubstrater og bølgelederætsning til modulatordannelse er en Curie-temperatur på 610°C mere end tilstrækkelig.
◆ Vil Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) erstatte tyndfilm Lithium Niobate (TFLN)?
Baseret på nuværende forskning tilbyder LTOI fordele i passiv ydeevne, stabilitet og storskala produktionsomkostninger, uden nogen åbenlyse ulemper. LTOI overgår dog ikke lithiumniobat i moduleringsydelse, og stabilitetsproblemer med LNOI har kendte løsninger. Til kommunikations-DR-moduler er der minimal efterspørgsel efter passive komponenter (og siliciumnitrid kan bruges, hvis det er nødvendigt). Derudover kræves der nye investeringer for at genetablere ætsningsprocesser på waferniveau, heterointegrationsteknikker og pålidelighedstestning (vanskeligheden med lithiumniobatætsning var ikke bølgelederen, men at opnå højtydende ætsning på waferniveau). For at konkurrere med lithiumniobats etablerede position kan LTOI derfor muligvis afdække yderligere fordele. Akademisk tilbyder LTOI imidlertid et betydeligt forskningspotentiale for integrerede on-chip-systemer, såsom oktavspændende elektro-optiske kamme, PPLT, soliton og AWG bølgelængdedelingsenheder og array-modulatorer.
Indlægstid: Nov-08-2024