Тонкоплівковий матеріал танталат літію (LTOI) стає значною новою силою в галузі інтегрованої оптики. Цього року було опубліковано кілька робіт високого рівня про модулятори LTOI, з високоякісними пластинами LTOI, наданими професором Сінь Оу з Шанхайського інституту мікросистем та інформаційних технологій, і високоякісними процесами травлення хвилеводів, розробленими групою професора Кіппенберга в EPFL. , Швейцарія. Їхні спільні зусилля продемонстрували вражаючі результати. Крім того, дослідницькі групи з Чжецзянського університету під керівництвом професора Лю Лю та Гарвардського університету під керівництвом професора Лончара також повідомили про високошвидкісні та стабільні модулятори LTOI.
Будучи близьким родичем тонкоплівкового ніобату літію (LNOI), LTOI зберігає характеристики високошвидкісної модуляції та низьких втрат ніобату літію, а також пропонує такі переваги, як низька вартість, низьке подвійне променезаломлення та зменшені ефекти фоторефракції. Нижче представлено порівняння основних характеристик двох матеріалів.
◆ Подібність між танталатом літію (LTOI) і ніобатом літію (LNOI)
①Показник заломлення:2.12 проти 2.21
Це означає, що розміри одномодового хвилеводу, радіус вигину та звичайні розміри пасивних пристроїв на основі обох матеріалів дуже схожі, і їхня продуктивність волоконного сполучення також порівнянна. При хорошому хвилеводному травленні обидва матеріали можуть досягти внесених втрат<0,1 дБ/см. EPFL повідомляє про втрату хвилеводу 5,6 дБ/м.
②Електрооптичний коефіцієнт:30,5 pm/V проти 30,9 pm/V
Ефективність модуляції порівнянна для обох матеріалів, з модуляцією на основі ефекту Поккельса, що забезпечує високу пропускну здатність. В даний час модулятори LTOI здатні досягати продуктивності 400G на смугу з пропускною здатністю понад 110 ГГц.
③Ширина забороненої зони:3,93 еВ проти 3,78 еВ
Обидва матеріали мають широке прозоре вікно, що підтримує додатки від видимого до інфрачервоного випромінювання, без поглинання в діапазонах зв’язку.
④Нелінійний коефіцієнт другого порядку (d33):21 pm/V проти 27 pm/V
Якщо використовується для нелінійних додатків, таких як генерація другої гармоніки (SHG), генерація різницевої частоти (DFG) або генерація сумарної частоти (SFG), ефективність перетворення двох матеріалів має бути досить подібною.
◆ Цінова перевага LTOI проти LNOI
①Менша вартість приготування вафель
LNOI вимагає імплантації іонів He для розділення шарів, які мають низьку ефективність іонізації. На відміну від цього, LTOI використовує імплантацію іонів H для розділення, подібно до SOI, з ефективністю відшарування більш ніж у 10 разів вищою, ніж LNOI. Це призводить до значної різниці в ціні на 6-дюймові пластини: 300 доларів США проти 2000 доларів США, тобто зниження вартості на 85%.
②Він уже широко використовується на ринку побутової електроніки для акустичних фільтрів(750 000 одиниць на рік, використовуються Samsung, Apple, Sony тощо).
◆ Переваги продуктивності LTOI порівняно з LNOI
①Менше дефектів матеріалу, слабший фоторефрактивний ефект, більша стабільність
Спочатку модулятори LNOI часто демонстрували дрейф точки зміщення, головним чином через накопичення заряду, спричинене дефектами на межі хвилеводу. Якщо не лікувати, ці пристрої можуть стабілізуватися протягом доби. Однак для вирішення цієї проблеми були розроблені різні методи, такі як використання оболонки з оксиду металу, поляризація підкладки та відпал, що робить цю проблему значною мірою керованою.
Навпаки, LTOI має менше дефектів матеріалу, що призводить до значного зменшення дрейфу. Навіть без додаткової обробки його робоча точка залишається відносно стабільною. Про подібні результати повідомили EPFL, Гарвард і Чжецзянський університет. Однак у порівнянні часто використовуються необроблені модулятори LNOI, що може бути не зовсім справедливим; з обробкою продуктивність обох матеріалів, ймовірно, однакова. Основна відмінність полягає в тому, що LTOI вимагає менше додаткових етапів обробки.
②Нижче подвійне променезаломлення: 0,004 проти 0,07
Високе подвійне променезаломлення ніобату літію (LNOI) іноді може бути складним, особливо тому, що вигини хвилеводу можуть спричинити зв’язок мод і гібридизацію мод. У тонкому LNOI вигин хвилеводу може частково перетворювати TE світло в TM світло, що ускладнює виготовлення певних пасивних пристроїв, таких як фільтри.
З LTOI нижче подвійне променезаломлення усуває цю проблему, потенційно полегшуючи розробку високоефективних пасивних пристроїв. EPFL також повідомила про значні результати, використовуючи низьке подвійне променезаломлення LTOI та відсутність перетину мод для досягнення надширокого спектру електрооптичної частотної гребінки з рівним контролем дисперсії в широкому спектральному діапазоні. Це призвело до вражаючої смуги пропускання гребінки 450 нм із понад 2000 лініями гребінки, що в кілька разів перевищує те, що можна досягти за допомогою ніобату літію. Порівняно з оптичними частотними гребінками Керра, електрооптичні гребінці пропонують перевагу в тому, що вони без порогів і більш стабільні, хоча вони вимагають мікрохвильового входу високої потужності.
③Вищий поріг оптичного пошкодження
Поріг оптичного пошкодження LTOI вдвічі перевищує LNOI, що забезпечує перевагу в нелінійних додатках (і потенційно майбутніх додатках когерентного ідеального поглинання (CPO)). Поточні рівні потужності оптичного модуля навряд чи пошкодять ніобат літію.
④Низький Раманівський ефект
Це також стосується нелінійних застосувань. Ніобат літію має сильний ефект комбінаційного розсіювання, який у застосуваннях оптичних частотних гребінок Керра може призвести до небажаної генерації комбінаційного світла та отримати конкуренцію, запобігаючи перетворенню оптичних частотних гребінок літієвого ніобату x-cut у стан солітону. За допомогою LTOI ефект комбінаційного розсіювання може бути придушений за допомогою дизайну орієнтації кристала, що дозволяє х-зрізу LTOI досягати солітонної оптичної частотної гребінки. Це забезпечує монолітну інтеграцію солітонних оптичних частотних гребінок із високошвидкісними модуляторами, чого неможливо досягти з LNOI.
◆ Чому тонкоплівковий танталат літію (LTOI) не згадувався раніше?
Танталат літію має нижчу температуру Кюрі, ніж ніобат літію (610°C проти 1157°C). До розробки технології гетероінтеграції (XOI) модулятори з ніобату літію виготовлялися з використанням дифузії титану, яка потребує відпалу при температурі понад 1000 °C, що робить LTOI непридатним. Однак із сучасним переходом до використання ізоляторних підкладок і хвилеводного травлення для формування модулятора температура Кюрі 610°C є більш ніж достатньою.
◆ Чи замінить тонкоплівковий ніобат літію (TFLN) тонкоплівковий танталат літію (LTOI)?
На основі поточних досліджень LTOI пропонує переваги в пасивній продуктивності, стабільності та вартості великомасштабного виробництва без очевидних недоліків. Однак LTOI не перевершує ніобат літію за продуктивністю модуляції, і проблеми стабільності з LNOI мають відомі рішення. Для комунікаційних модулів DR існує мінімальний попит на пасивні компоненти (за потреби можна використовувати нітрид кремнію). Крім того, потрібні нові інвестиції для відновлення процесів травлення на рівні пластин, методів гетероінтеграції та перевірки надійності (складність із травленням ніобатом літію полягала не в хвилеводі, а в досягненні високопродуктивного травлення на рівні пластин). Тому, щоб конкурувати з усталеною позицією ніобату літію, LTOI може знадобитися розкрити додаткові переваги. Проте в академічному плані LTOI пропонує значний дослідницький потенціал для інтегрованих систем на чіпі, таких як електрооптичні гребінки, що охоплюють октаву, PPLT, солітонні та AWG пристрої з поділом довжини хвилі та матричні модулятори.
Час публікації: 08 листопада 2024 р