Tyndfilms-lithiumtantalat (LTOI)-materiale fremstår som en betydelig ny kraft inden for integreret optik. I år er der blevet offentliggjort adskillige højniveau-arbejder om LTOI-modulatorer, med LTOI-wafere af høj kvalitet leveret af professor Xin Ou fra Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, og bølgelederætsningsprocesser af høj kvalitet udviklet af professor Kippenbergs gruppe på 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-, højstabilitets-LTOI-modulatorer.
Som en nær slægtning til tyndfilmslithiumniobat (LNOI) bevarer LTOI lithiumniobats højhastighedsmodulations- og lave tabsegenskaber, samtidig med at det tilbyder fordele såsom lave omkostninger, lav dobbeltbrydning og reducerede fotorefraktive effekter. En sammenligning af de to materialers vigtigste egenskaber præsenteres nedenfor.
◆ Ligheder mellem lithiumtantalat (LTOI) og lithiumniobat (LNOI)
①Brydningsindeks:2,12 mod 2,21
Dette antyder, at single-mode bølgelederens dimensioner, 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 indsættelsestab på<0,1 dB/cm. EPFL rapporterer et bølgeledertab på 5,6 dB/m.
②Elektrooptisk koefficient:30,5 pm/V vs. 30,9 pm/V
Modulationseffektiviteten er sammenlignelig for begge materialer, hvor moduleringen er baseret på Pockels-effekten, hvilket giver mulighed for høj båndbredde. I øjeblikket er LTOI-modulatorer i stand til at opnå en ydeevne på 400 G pr. bane med en båndbredde på over 110 GHz.
③Båndgab:3,93 eV vs. 3,78 eV
Begge materialer har et bredt transparent vindue, der understøtter anvendelser fra synlige til infrarøde bølgelængder, uden absorption i kommunikationsbåndene.
④Andenordens ikke-lineær koefficient (d33):21.00/V vs. 27.00/V
Hvis de bruges til ikke-lineære applikationer såsom anden harmonisk generation (SHG), forskelsfrekvensgenerering (DFG) eller sumfrekvensgenerering (SFG), bør konverteringseffektiviteten af de to materialer være ret ens.
◆ Omkostningsfordel ved LTOI vs. LNOI
①Lavere omkostninger til forberedelse af wafers
LNOI kræver He-ionimplantation til lagseparation, hvilket har lav ioniseringseffektivitet. I modsætning hertil bruger LTOI H-ionimplantation til separation, svarende til SOI, med en delamineringseffektivitet, der er over 10 gange højere end LNOI. Dette resulterer i en betydelig prisforskel for 6-tommer wafere: $300 vs. $2000, en omkostningsreduktion på 85%.
②Det er allerede meget udbredt på markedet for forbrugerelektronik til akustiske filtre.(750.000 enheder årligt, brugt af Samsung, Apple, Sony osv.).
◆ Ydelsesfordele ved LTOI vs. LNOI
①Færre materialefejl, svagere fotorefraktiv effekt, mere stabilitet
I starten udviste LNOI-modulatorer ofte biaspunktdrift, primært på grund af ladningsakkumulering forårsaget af defekter ved bølgeledergrænsefladen. Hvis disse enheder ikke blev behandlet, kunne det tage op til en dag at stabilisere sig. Der blev dog udviklet forskellige metoder til at løse dette problem, såsom brug af metaloxidbeklædning, substratpolarisering og udglødning, hvilket gør dette problem stort set håndterbart nu.
I modsætning hertil har LTOI færre materialefejl, hvilket fører til betydeligt reducerede driftfænomener. Selv uden yderligere bearbejdning 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 retfærdigt; med bearbejdning er ydeevnen af begge materialer sandsynligvis ens. Hovedforskellen ligger i, at LTOI kræver færre yderligere bearbejdningstrin.
②Lavere dobbeltbrydning: 0,004 vs. 0,07
Den høje dobbeltbrydning af lithiumniobat (LNOI) kan til tider være udfordrende, især da bølgelederbøjninger kan forårsage modekobling og modehybridisering. I tynd LNOI kan en bøjning i bølgelederen delvist omdanne 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, hvor de udnytter LTOI's lave dobbeltbrydning og fravær af mode-crossing for at opnå ultrabredspektret elektrooptisk frekvenskamgenerering med flad dispersionskontrol over et bredt spektralområde. Dette resulterede i en imponerende kambåndbredde på 450 nm med over 2000 kamlinjer, flere gange større end hvad der kan opnås med lithiumniobat. Sammenlignet med Kerr optiske frekvenskamme tilbyder elektrooptiske kamme den fordel, at de er tærskelfri og mere stabile, selvom de kræver en højeffektsmikrobølgeinput.
③Højere tærskel for optisk skade
Den optiske skadetærskel for LTOI er dobbelt så stor som for LNOI, hvilket giver en fordel i ikke-lineære applikationer (og potentielt fremtidige Coherent Perfect Absorption (CPO) applikationer). Nuværende effektniveauer for optiske moduler vil sandsynligvis ikke beskadige lithiumniobat.
④Lav Raman-effekt
Dette gælder også for ikke-lineære anvendelser. Lithiumniobat har en stærk Raman-effekt, som i Kerr optiske frekvenskam-applikationer kan føre til uønsket Raman-lysgenerering og opnå konkurrence, hvilket forhindrer x-cut lithiumniobat optiske frekvenskamme i at nå soliton-tilstanden. Med LTOI kan Raman-effekten undertrykkes gennem krystalorienteringsdesign, hvilket gør det muligt for x-cut LTOI at opnå soliton optisk frekvenskamgenerering. Dette muliggør monolitisk integration af soliton optiske frekvenskamme med højhastighedsmodulatorer, en bedrift der ikke kan opnås med LNOI.
◆ Hvorfor blev tyndfilmslitiumtantalat (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 titandiffusion, som kræver udglødning ved over 1000 °C, hvilket gør LTOI uegnet. Men med nutidens skift mod at bruge isolatorsubstrater og bølgelederætsning til modulatordannelse er en Curie-temperatur på 610 °C mere end tilstrækkelig.
◆ Vil tyndfilmslitiumtantalat (LTOI) erstatte tyndfilmslitiumniobat (TFLN)?
Baseret på nuværende forskning tilbyder LTOI fordele inden for passiv ydeevne, stabilitet og produktionsomkostninger i stor skala, uden åbenlyse ulemper. LTOI overgår dog ikke lithiumniobat i modulationsydeevne, og stabilitetsproblemer med LNOI har kendte løsninger. For kommunikations-DR-moduler er der minimal efterspørgsel efter passive komponenter (og siliciumnitrid kan anvendes om nødvendigt). Derudover kræves der nye investeringer for at genetablere wafer-niveau ætsningsprocesser, heterointegrationsteknikker og pålidelighedstestning (vanskeligheden med lithiumniobat ætsning var ikke bølgelederen, men at opnå højtydende wafer-niveau ætsning). For at konkurrere med lithiumniobats etablerede position kan LTOI derfor være nødt til at afdække yderligere fordele. Akademisk set tilbyder LTOI dog et betydeligt forskningspotentiale for integrerede on-chip systemer, såsom oktavspændende elektrooptiske kamme, PPLT, soliton- og AWG-bølgelængdedelingsenheder og array-modulatorer.
Opslagstidspunkt: 8. november 2024