A vékonyrétegű lítium-tantalát (LTOI) anyag jelentős új erőként jelenik meg az integrált optika területén. Ebben az évben több magas szintű munka jelent meg az LTOI modulátorokról, a kiváló minőségű LTOI lapkákat Xin Ou professzor biztosította a Sanghaji Mikrorendszer- és Információtechnológiai Intézettől, valamint kiváló minőségű hullámvezető maratási eljárásokat, amelyeket Kippenberg professzor EPFL-csoportja fejlesztett ki. , Svájc. Együttműködési erőfeszítéseik lenyűgöző eredményeket mutattak fel. Ezenkívül a Zhejiang Egyetem kutatócsoportjai Liu Liu professzor vezetésével és a Harvard Egyetem Loncar professzor vezetésével szintén beszámoltak a nagy sebességű, nagy stabilitású LTOI modulátorokról.
A vékonyrétegű lítium-niobát (LNOI) közeli rokonaként az LTOI megőrzi a lítium-niobát nagy sebességű modulációját és alacsony veszteségű jellemzőit, miközben olyan előnyöket is kínál, mint az alacsony költség, az alacsony kettős törés és a csökkent fotorefraktív hatás. Az alábbiakban bemutatjuk a két anyag főbb jellemzőinek összehasonlítását.
◆ Hasonlóságok a lítium-tantalát (LTOI) és a lítium-niobát (LNOI) között
①Törésmutató:2,12 vs 2,21
Ez azt jelenti, hogy az egymódusú hullámvezető méretei, hajlítási sugára és közös passzív eszközméretei mindkét anyagon nagyon hasonlóak, és a szálcsatolási teljesítményük is összehasonlítható. Jó hullámvezető maratással mindkét anyag behelyezési veszteséget érhet el<0,1 dB/cm. Az EPFL 5,6 dB/m hullámvezető veszteséget jelent.
②Elektrooptikai együttható:30,5 pm/V vs 30,9 pm/V
A modulációs hatékonyság mindkét anyag esetében összehasonlítható, a Pockels-effektuson alapuló modulációval, ami nagy sávszélességet tesz lehetővé. Jelenleg az LTOI modulátorok sávonként 400 G teljesítmény elérésére képesek, 110 GHz-et meghaladó sávszélesség mellett.
③Bandgap:3,93 eV vs 3,78 eV
Mindkét anyag széles átlátszó ablakkal rendelkezik, amely támogatja az alkalmazásokat a láthatótól az infravörös hullámhosszig, a kommunikációs sávokban nincs abszorpció.
④Másodrendű nemlineáris együttható (d33):21:00/V vs 27:00/V
Ha nemlineáris alkalmazásokhoz használják, mint például a második harmonikus generálás (SHG), a különbség-frekvencia-generálás (DFG) vagy az összeg-frekvencia-generálás (SFG), akkor a két anyag konverziós hatékonyságának meglehetősen hasonlónak kell lennie.
◆ Az LTOI költségelőnye az LNOI-hoz képest
①Alacsonyabb ostyakészítési költség
Az LNOI-hoz He-ion beültetés szükséges a rétegleválasztáshoz, amely alacsony ionizációs hatásfokkal rendelkezik. Ezzel szemben az LTOI H-ion-implantációt használ az elválasztáshoz, hasonlóan a SOI-hoz, és a delamináció hatékonysága több mint 10-szer magasabb, mint az LNOI. Ez jelentős árkülönbséget eredményez a 6 hüvelykes ostyák esetében: 300 USD vs. 2000 USD, ami 85%-os költségcsökkentést jelent.
②Már széles körben használják a fogyasztói elektronikai piacon az akusztikus szűrők esetében(évente 750 000 darab, Samsung, Apple, Sony stb. használ).
◆ Az LTOI és az LNOI teljesítménybeli előnyei
①Kevesebb anyaghiba, gyengébb fénytörési hatás, nagyobb stabilitás
Kezdetben az LNOI modulátorok gyakran mutattak torzítási ponteltolódást, elsősorban a hullámvezető interfész hibái által okozott töltés felhalmozódása miatt. Ha nem kezelik, ezeknek az eszközöknek a stabilizálása akár egy napig is eltarthat. Ennek a problémának a megoldására azonban különféle módszereket fejlesztettek ki, például fém-oxid burkolatot, hordozó polarizációt és lágyítást, így ez a probléma nagyrészt kezelhetővé vált.
Ezzel szemben az LTOI-nak kevesebb anyaghibája van, ami jelentősen csökkenti a sodródási jelenségeket. Működési pontja további feldolgozás nélkül is viszonylag stabil marad. Hasonló eredményekről számolt be az EPFL, a Harvard és a Zhejiang Egyetem. Az összehasonlítás azonban gyakran kezeletlen LNOI modulátorokat használ, ami nem biztos, hogy teljesen igazságos; a feldolgozás során mindkét anyag teljesítménye valószínűleg hasonló. A fő különbség abban rejlik, hogy az LTOI kevesebb további feldolgozási lépést igényel.
②Alsó kettős törés: 0,004 vs 0,07
A lítium-niobát (LNOI) nagy kettős törése időnként kihívást jelenthet, különösen azért, mert a hullámvezető hajlítások móduskapcsolást és mód-hibridizációt okozhatnak. A vékony LNOI-ban a hullámvezető hajlítása részben TM-fénnyel alakíthatja át a TE-fényt, ami megnehezíti bizonyos passzív eszközök, például szűrők gyártását.
Az LTOI-val az alacsonyabb kettős törés kiküszöböli ezt a problémát, és potenciálisan megkönnyíti a nagy teljesítményű passzív eszközök fejlesztését. Az EPFL emellett figyelemre méltó eredményekről számolt be, kihasználva az LTOI alacsony kettős törését és az üzemmód-keresztezés hiányát, hogy ultraszéles spektrumú elektro-optikai frekvenciagenerálást érjen el lapos diszperziószabályozással széles spektrumtartományban. Ez lenyűgöző, 450 nm-es fésűs sávszélességet eredményezett több mint 2000 fésűvonallal, ami többszöröse a lítium-niobáttal elérhetőnek. A Kerr optikai frekvenciájú fésűkkel összehasonlítva az elektrooptikai fésűk előnye, hogy küszöb nélküliek és stabilabbak, bár nagy teljesítményű mikrohullámú bemenetet igényelnek.
③Magasabb optikai károsodási küszöb
Az LTOI optikai károsodási küszöbértéke kétszerese az LNOI-énak, ami előnyt jelent a nemlineáris alkalmazásokban (és potenciálisan a jövőbeni koherens tökéletes abszorpciós (CPO) alkalmazásokban). Az optikai modul jelenlegi teljesítményszintje valószínűleg nem károsítja a lítium-niobátot.
④Alacsony Raman effektus
Ez vonatkozik a nemlineáris alkalmazásokra is. A lítium-niobát erős Raman-effektussal rendelkezik, ami a Kerr optikai frekvenciájú fésűs alkalmazásokban nem kívánt Raman-fénygenerációhoz és verseny fokozásához vezethet, megakadályozva, hogy az x-cut lítium-niobát optikai frekvenciájú fésűk szoliton állapotba kerüljenek. Az LTOI-val a Raman-effektus elnyomható a kristályorientált tervezéssel, lehetővé téve, hogy az x-cut LTOI szoliton optikai frekvencia fésűgenerálást érjen el. Ez lehetővé teszi a szoliton optikai frekvenciafésűk nagysebességű modulátorokkal való monolitikus integrációját, ami az LNOI-val nem érhető el.
◆ Miért nem említették korábban a vékonyrétegű lítium-tantalátot (LTOI)?
A lítium-tantalát Curie-hőmérséklete alacsonyabb, mint a lítium-niobáté (610 °C vs. 1157 °C). A heterointegrációs technológia (XOI) kifejlesztése előtt a lítium-niobát modulátorokat titán diffúzióval gyártották, ami 1000°C feletti hőkezelést igényel, így az LTOI alkalmatlan. Azonban a mai elmozdulás a szigetelő szubsztrátumok és a hullámvezető maratások használatára irányul a modulátorképzéshez, a 610 °C-os Curie hőmérséklet több mint elegendő.
◆ A vékonyrétegű lítium-tantalát (LTOI) felváltja a vékonyrétegű lítium-niobátot (TFLN)?
A jelenlegi kutatások alapján az LTOI előnyöket kínál a passzív teljesítmény, a stabilitás és a nagyszabású gyártási költségek terén, nyilvánvaló hátrányok nélkül. Az LTOI azonban nem múlja felül a lítium-niobátot a modulációs teljesítményben, és az LNOI-val kapcsolatos stabilitási problémákra ismertek a megoldások. A kommunikációs DR-modulok esetében minimális az igény a passzív alkatrészek iránt (és szükség esetén szilícium-nitrid is használható). Ezenkívül új beruházásokra van szükség az ostyaszintű maratási folyamatok, a heterointegrációs technikák és a megbízhatósági tesztelés helyreállításához (a lítium-niobát maratási nehézséget nem a hullámvezető, hanem a nagy hozamú ostyaszintű maratás jelentette). Emiatt a lítium-niobát megszerzett pozíciójával való versengés érdekében az LTOI-nak további előnyöket kell feltárnia. Tudományos szempontból azonban az LTOI jelentős kutatási potenciált kínál az integrált chip-rendszerekhez, mint például az oktávon átívelő elektrooptikai fésűk, PPLT, szoliton és AWG hullámhosszosztó eszközök és tömbmodulátorok.
Feladás időpontja: 2024.11.08