Тонкоплівковий матеріал на основі танталату літію (LTOI) стає новим значним інструментом у галузі інтегральної оптики. Цього року було опубліковано кілька високоякісних робіт, присвячених модуляторам LTOI, зокрема високоякісні пластини LTOI, надані професором Сінь Оу з Шанхайського інституту мікросистемних та інформаційних технологій, а також високоякісні процеси травлення хвилеводів, розроблені групою професора Кіппенберга в EPFL, Швейцарія. Їхні спільні зусилля продемонстрували вражаючі результати. Крім того, дослідницькі групи з Університету Чжецзян під керівництвом професора Лю Лю та Гарвардського університету під керівництвом професора Лонкара також повідомили про високошвидкісні та високостабільні модулятори LTOI.
Як близький родич тонкоплівкового ніобату літію (LNOI), LTOI зберігає характеристики високошвидкісної модуляції та низьких втрат ніобату літію, а також пропонує такі переваги, як низька вартість, низьке двопроменезаломлення та зменшені ефекти фоторефракції. Порівняння основних характеристик двох матеріалів представлено нижче.
◆ Подібність між танталатом літію (LTOI) та ніобатом літію (LNOI)
①Показник заломлення:2.12 проти 2.21
Це означає, що розміри одномодового хвилеводу, радіус вигину та розміри поширених пасивних пристроїв на основі обох матеріалів дуже схожі, а також порівнянні їхні характеристики зв'язку з оптоволоконними оптоволокнами. Завдяки гарному травленню хвилеводу обидва матеріали можуть досягти вставних втрат<0,1 дБ/см. EPFL повідомляє про втрати у хвилеводі 5,6 дБ/м.
②Електрооптичний коефіцієнт:30,5 м/с проти 30,9 м/с
Ефективність модуляції порівнянна для обох матеріалів, причому модуляція базується на ефекті Поккельса, що забезпечує високу пропускну здатність. Наразі модулятори LTOI здатні досягати продуктивності 400 Гбіт/с, а пропускна здатність перевищує 110 ГГц.
③Ширина забороненої зони:3,93 еВ проти 3,78 еВ
Обидва матеріали мають широке прозоре вікно, що дозволяє використовувати їх у діапазоні від видимого до інфрачервоного хвиль, без поглинання в діапазонах зв'язку.
④Нелінійний коефіцієнт другого порядку (d33):21:00/V проти 27:00/V
Якщо їх використовувати для нелінійних застосувань, таких як генерація другої гармоніки (SHG), генерація різницевої частоти (DFG) або генерація сумарної частоти (SFG), ефективність перетворення цих двох матеріалів повинна бути досить схожою.
◆ Перевага вартості LTOI порівняно з LNOI
①Нижча вартість підготовки пластин
LNOI вимагає імплантації іонів He для розділення шарів, що має низьку ефективність іонізації. Натомість, LTOI використовує імплантацію іонів H для розділення, подібно до SOI, з ефективністю розшарування більш ніж у 10 разів вищою, ніж LNOI. Це призводить до значної різниці в ціні на 6-дюймові пластини: 300 доларів проти 2000 доларів, що на 85% знижує вартість.
②Він вже широко використовується на ринку побутової електроніки для акустичних фільтрів.(750 000 одиниць щорічно, використовуються Samsung, Apple, Sony тощо).
◆ Переваги продуктивності LTOI порівняно з LNOI
①Менше дефектів матеріалу, слабший фоторефракційний ефект, більша стабільність
Спочатку модулятори LNOI часто демонстрували дрейф точки зміщення, головним чином через накопичення заряду, спричинене дефектами на межі хвилеводу. Якщо не вжити заходів, стабілізація цих пристроїв могла тривати до доби. Однак для вирішення цієї проблеми було розроблено різні методи, такі як використання покриття оксидом металу, поляризація підкладки та відпал, що зробило цю проблему зараз значною мірою керованою.
На відміну від цього, LTOI має менше дефектів матеріалу, що призводить до значного зменшення явищ дрейфу. Навіть без додаткової обробки його робоча точка залишається відносно стабільною. Подібні результати були отримані в EPFL, Гарварді та Чжецзянському університеті. Однак, у порівнянні часто використовуються необроблені модулятори LNOI, що може бути не зовсім справедливим; після обробки характеристики обох матеріалів, ймовірно, схожі. Основна відмінність полягає в тому, що LTOI вимагає менше додаткових етапів обробки.
②Нижнє двопроменезаломлення: 0,004 проти 0,07
Високий коефіцієнт двопроменезаломлення ніобату літію (LNOI) може бути складним завданням, особливо тому, що вигини хвилеводу можуть спричиняти зв'язок мод та гібридизацію мод. У тонкому LNOI вигин хвилеводу може частково перетворювати світло TE на світло TM, ускладнюючи виготовлення деяких пасивних пристроїв, таких як фільтри.
Завдяки LTOI нижчий коефіцієнт двопроменезаломлення усуває цю проблему, що потенційно полегшує розробку високопродуктивних пасивних пристроїв. EPFL також повідомила про помітні результати, використовуючи низький коефіцієнт двопроменезаломлення LTOI та відсутність перетину мод для досягнення генерації електрооптичного частотного гребеня надширокого спектру з плоским контролем дисперсії в широкому спектральному діапазоні. Це призвело до вражаючої смуги пропускання гребеня 450 нм з понад 2000 ліній гребеня, що в кілька разів більше, ніж можна досягти з ніобатом літію. Порівняно з оптичними частотними гребенями Керра, електрооптичні гребінці мають перевагу в тому, що вони не мають порогу та є більш стабільними, хоча вони вимагають потужного мікрохвильового входу.
③Вищий поріг оптичного пошкодження
Поріг оптичного пошкодження для LTOI вдвічі перевищує поріг для LNOI, що дає перевагу в нелінійних застосуваннях (і потенційно в майбутніх застосуваннях когерентного ідеального поглинання (CPO)). Поточні рівні потужності оптичних модулів навряд чи пошкодять ніобат літію.
④Низький ефект Рамана
Це також стосується нелінійних застосувань. Ніобат літію має сильний ефект Рамана, який у застосуваннях з оптичним частотним гребенем Керра може призвести до небажаної генерації раманівського світла та конкуренції за посилення, запобігаючи досягненню солітонного стану оптичних частотних гребенів ніобату літію з x-зрізом. За допомогою LTOI ефект Рамана можна придушити за допомогою орієнтації кристала, що дозволяє LTOI з x-зрізом досягти генерації солітонного оптичного частотного гребеня. Це дозволяє монолітну інтеграцію солітонних оптичних частотних гребенів з високошвидкісними модуляторами, що неможливо досягти за допомогою LNOI.
◆ Чому раніше не згадували про тонкоплівковий танталат літію (LTOI)?
Танталат літію має нижчу температуру Кюрі, ніж ніобат літію (610°C проти 1157°C). До розробки технології гетероінтеграції (XOI) модулятори з ніобату літію виготовлялися за допомогою дифузії титану, яка вимагає відпалу при температурі понад 1000°C, що робить LTOI непридатним. Однак, з огляду на сучасний перехід до використання ізоляторних підкладок та травлення хвилеводів для формування модулятора, температури Кюрі 610°C більш ніж достатньо.
◆ Чи замінить тонкоплівковий танталат літію (LTOI) тонкоплівковий ніобат літію (TFLN)?
Згідно з поточними дослідженнями, LTOI пропонує переваги в пасивній продуктивності, стабільності та вартості великомасштабного виробництва, без очевидних недоліків. Однак, LTOI не перевершує ніобат літію за характеристиками модуляції, а проблеми стабільності з LNOI мають відомі рішення. Для комунікаційних модулів DR існує мінімальний попит на пасивні компоненти (і нітрид кремнію може бути використаний за потреби). Крім того, потрібні нові інвестиції для відновлення процесів травлення на рівні пластин, методів гетероінтеграції та випробувань на надійність (складність травлення ніобатом літію полягала не в хвилеводі, а в досягненні високопродуктивного травлення на рівні пластин). Тому, щоб конкурувати з усталеними позиціями ніобату літію, LTOI, можливо, доведеться виявити додаткові переваги. Однак з академічної точки зору, LTOI пропонує значний дослідницький потенціал для інтегрованих систем на кристалі, таких як октавно-охоплюючі електрооптичні гребінці, PPLT, солітонні та AWG-пристрої поділу довжин хвиль, а також матричні модулятори.
Час публікації: 08 листопада 2024 р.