A vékonyrétegű lítium-tantalát (LTOI) anyag jelentős új erőként jelenik meg az integrált optika területén. Idén számos magas szintű munka jelent meg LTOI modulátorokkal kapcsolatban, többek között a Sanghaji Mikroszisztéma és Információtechnológiai Intézet munkatársa, Xin Ou professzor által biztosított kiváló minőségű LTOI ostyákról, valamint a svájci EPFL-ben működő Kippenberg professzor csoportja által kifejlesztett kiváló minőségű hullámvezető maratási eljárásokról. Együttműködésük lenyűgöző eredményeket hozott. Emellett a Zhejiang Egyetem, Liu Liu professzor vezetésével, és a Harvard Egyetem, Loncar professzor vezetésével működő kutatócsoportjai is beszámoltak nagy sebességű, nagy stabilitású LTOI modulátorokról.
A vékonyrétegű lítium-niobát (LNOI) közeli rokonaként az LTOI megőrzi a lítium-niobát nagysebességű modulációját és alacsony veszteségű tulajdonságait, miközben olyan előnyöket is kínál, mint az alacsony költség, az alacsony kettős törés és a csökkent fotorefraktív hatások. Az alábbiakban a két anyag főbb jellemzőinek összehasonlítását mutatjuk be.
◆ A lítium-tantalát (LTOI) és a lítium-niobát (LNOI) közötti hasonlóságok
①Törésmutató:2.12 vs. 2.21
Ez azt jelenti, hogy a két anyag alapján az egymódusú hullámvezető méretei, hajlítási sugara és a közös passzív eszközök méretei nagyon hasonlóak, és a szálak csatolási teljesítménye is összehasonlítható. Jó hullámvezető maratással mindkét anyag elérheti a ... beillesztési veszteségét.<0,1 dB/cm. Az EPFL 5,6 dB/m hullámvezető veszteséget jelent.
②Elektrooptikai együttható:30,5 du./V vs 30,9 du./V
A modulációs hatékonyság mindkét anyag esetében összehasonlítható, a Pockels-effektuson alapuló moduláció nagy sávszélességet tesz lehetővé. Jelenleg az LTOI modulátorok sávonként 400 G teljesítmény elérésére képesek, 110 GHz-et meghaladó sávszélességgel.
③Tiltott sáv:3,93 eV vs. 3,78 eV
Mindkét anyag széles átlátszó ablakkal rendelkezik, amely a látható fénytől az infravörös hullámhosszig terjedő alkalmazásokat támogatja, a kommunikációs sávokban nincs elnyelés.
④Másodrendű nemlineáris együttható (d33):21 óra/V vs. 27 óra/V
Nemlineáris alkalmazásokhoz, például második harmonikus generáláshoz (SHG), különbségi frekvenciageneráláshoz (DFG) vagy összegfrekvenciás generáláshoz (SFG) használva a két anyag konverziós hatásfokának meglehetősen hasonlónak kell lennie.
◆ Az LTOI költségelőnye az LNOI-val szemben
①Alacsonyabb ostyakészítési költség
Az LNOI rétegszétválasztáshoz He ionbeültetést igényel, ami alacsony ionizációs hatékonysággal jár. Ezzel szemben az LTOI H ionbeültetést alkalmaz a szétválasztáshoz, hasonlóan a SOI-hoz, de a delaminációs hatékonysága több mint tízszerese az LNOI-énak. Ez jelentős árkülönbséget eredményez a 6 hüvelykes waferek esetében: 300 dollár vs. 2000 dollár, ami 85%-os költségcsökkenést jelent.
②Már széles körben használják a szórakoztatóelektronikai piacon akusztikus szűrőkhöz.(Évente 750 000 darab, amelyet a Samsung, az Apple, a Sony stb. használ).
◆ Az LTOI és az LNOI teljesítménybeli előnyei
①Kevesebb anyaghiba, gyengébb fotorefraktív hatás, nagyobb stabilitás
Kezdetben az LNOI modulátorok gyakran mutattak torzítási ponteltolódást, elsősorban a hullámvezető interfész hibái által okozott töltésfelhalmozódás miatt. Kezeletlenül ezeknek az eszközöknek a stabilizálódása akár egy napot is igénybe vehet. A probléma kezelésére azonban különféle módszereket fejlesztettek ki, például fém-oxid burkolat, szubsztrát polarizáció és hőkezelés alkalmazásával, így a probléma ma már nagyrészt kezelhető.
Ezzel szemben az LTOI kevesebb anyaghibával rendelkezik, ami jelentősen csökkenti a driftjelenségeket. Még további feldolgozás nélkül is viszonylag stabil marad a működési pontja. Hasonló eredményekről számolt be az EPFL, a Harvard és a Zhejiang Egyetem. Az összehasonlítás azonban gyakran kezeletlen LNOI modulátorokat használ, ami nem feltétlenül igazságos; feldolgozással a két anyag teljesítménye valószínűleg hasonló. A fő különbség abban rejlik, hogy az LTOI kevesebb további feldolgozási lépést igényel.
②Alacsonyabb kettős törés: 0,004 vs 0,07
A lítium-niobát (LNOI) magas kettős törési ereje időnként kihívást jelenthet, különösen mivel a hullámvezető hajlításai móduscsatolást és módushibridizációt okozhatnak. A vékony LNOI-ban a hullámvezető hajlítása részben a TE-fényt TM-fénnyé alakíthatja, ami megnehezíti bizonyos passzív eszközök, például szűrők gyártását.
Az LTOI esetében az alacsonyabb kettős törés kiküszöböli ezt a problémát, ami potenciálisan megkönnyíti a nagy teljesítményű passzív eszközök fejlesztését. Az EPFL szintén figyelemre méltó eredményekről számolt be, kihasználva az LTOI alacsony kettős törési tényezőjét és a módusátmenet hiányát, hogy ultraszéles spektrumú elektrooptikai frekvenciafésülés-generálást érjen el, sík diszperziószabályozással széles spektrális tartományban. Ez lenyűgöző 450 nm-es fésűsávszélességet eredményezett, több mint 2000 fésűvonallal, ami többszöröse a lítium-niobáttal elérhető értéknek. A Kerr optikai frekvenciafésülésekkel összehasonlítva az elektrooptikai fésűk előnye, hogy küszöbértékmentesek és stabilabbak, bár nagy teljesítményű mikrohullámú bemenetet igényelnek.
③Magasabb optikai károsodási küszöbérték
Az LTOI optikai károsodási küszöbértéke kétszerese az LNOI-énak, ami előnyt jelent a nemlineáris alkalmazásokban (és potenciálisan a jövőbeli koherens tökéletes abszorpciós (CPO) alkalmazásokban). A jelenlegi optikai modul teljesítményszintjei valószínűleg nem károsítják a lítium-niobátot.
④Alacsony Raman-effektus
Ez a nemlineáris alkalmazásokra is vonatkozik. A lítium-niobát erős Raman-effektussal rendelkezik, ami a Kerr optikai frekvenciafésüléses alkalmazásokban nem kívánt Raman-fény keletkezéséhez és versenyhez vezethet, megakadályozva, hogy az x-vágású lítium-niobát optikai frekvenciafésülések elérjék a szoliton állapotot. Az LTOI segítségével a Raman-effektus a kristályorientáció kialakításával elnyomható, lehetővé téve az x-vágású LTOI számára a szoliton optikai frekvenciafésülés létrehozását. Ez lehetővé teszi a szoliton optikai frekvenciafésülések monolitikus integrációját nagysebességű modulátorokkal, 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 titándiffúzióval állították elő, ami 1000 °C feletti hőkezelést igényel, így az LTOI alkalmatlanná vált. A mai elmozdulásnak köszönhetően azonban a szigetelő szubsztrátok és a hullámvezető maratás felé való elmozdulásnak köszönhetően a modulátorok előállításához a 610 °C-os Curie-hőmérséklet több mint elegendő.
◆ A vékonyrétegű lítium-tantalát (LTOI) felváltja-e a vékonyrétegű lítium-niobátot (TFLN)?
A jelenlegi kutatások alapján az LTOI előnyöket kínál a passzív teljesítmény, a stabilitás és a nagyméretű gyártási költségek terén, látható hátrányok nélkül. Az LTOI azonban nem múlja felül a lítium-niobátot a modulációs teljesítményben, és az LNOI stabilitási problémáira ismert megoldások vannak. A kommunikációs DR modulok esetében minimális az igény a passzív alkatrészekre (és szükség esetén szilícium-nitrid is használható). Ezenkívül új beruházásokra van szükség a wafer szintű maratási folyamatok, a heterointegrációs technikák és a megbízhatósági tesztelés újbóli létrehozásához (a lítium-niobát maratásának nehézsége nem a hullámvezető, hanem a nagy hozamú wafer szintű maratás elérése volt). Ezért ahhoz, hogy versenyezni tudjon a lítium-niobát megszilárdult pozíciójával, az LTOI-nak további előnyöket kell feltárnia. Akadémiai szempontból azonban az LTOI jelentős kutatási potenciált kínál az integrált chip-rendszerek, például az oktáv-feszítő elektrooptikai fésűk, a PPLT, a szoliton és az AWG hullámhossz-osztó eszközök, valamint a tömbmodulátorok számára.
Közzététel ideje: 2024. november 8.