Tenkovrstvý lithium tantalát (LTOI) se objevuje jako významná nová síla v oblasti integrované optiky. V letošním roce bylo publikováno několik prací na vysoké úrovni o modulátorech LTOI, přičemž vysoce kvalitní wafery LTOI poskytl profesor Xin Ou ze Šanghajského institutu mikrosystémových a informačních technologií a vysoce kvalitní procesy leptání vlnovodů vyvinuté skupinou profesora Kippenberga v EPFL , Švýcarsko. Jejich společné úsilí přineslo působivé výsledky. Kromě toho výzkumné týmy z Zhejiang University vedené profesorem Liu Liu a Harvard University vedené profesorem Loncarem také informovaly o vysokorychlostních a vysoce stabilních LTOI modulátorech.
Jako blízký příbuzný niobátu lithného (LNOI) si LTOI zachovává vysokorychlostní modulaci a nízkoztrátové vlastnosti niobátu lithného a zároveň nabízí výhody, jako je nízká cena, nízký dvojlom a snížené fotorefrakční účinky. Srovnání hlavních charakteristik těchto dvou materiálů je uvedeno níže.
◆ Podobnosti mezi Lithium Tantalate (LTOI) a Lithium Niobate (LNOI)
①Index lomu:2,12 vs 2,21
To znamená, že rozměry jednovidového vlnovodu, poloměr ohybu a běžné velikosti pasivních zařízení založené na obou materiálech jsou velmi podobné a jejich výkon při spojování vláken je také srovnatelný. Při dobrém vlnovodném leptání mohou oba materiály dosáhnout vložného útlumu<0,1 dB/cm. EPFL uvádí ztrátu vlnovodu 5,6 dB/m.
②Elektrooptický koeficient:30,5 pm/V oproti 30,9 pm/V
Modulační účinnost je srovnatelná pro oba materiály, s modulací založenou na Pockelsově efektu, což umožňuje vysokou šířku pásma. V současné době jsou modulátory LTOI schopny dosáhnout výkonu 400 G na jízdní pruh se šířkou pásma přesahující 110 GHz.
③Bandgap:3,93 eV oproti 3,78 eV
Oba materiály mají široké průhledné okno, které podporuje aplikace od viditelných po infračervené vlnové délky, bez absorpce v komunikačních pásmech.
④Nelineární koeficient druhého řádu (d33):21:00/V vs. 27:00/V
Při použití pro nelineární aplikace, jako je generování druhé harmonické (SHG), generování rozdílové frekvence (DFG) nebo generování součtové frekvence (SFG), by měly být účinnosti převodu těchto dvou materiálů velmi podobné.
◆ Cenová výhoda LTOI vs LNOI
①Nižší náklady na přípravu oplatky
LNOI vyžaduje implantaci He iontů pro separaci vrstev, která má nízkou ionizační účinnost. Naproti tomu LTOI používá k separaci implantaci H iontů, podobně jako SOI, s účinností delaminace více než 10krát vyšší než LNOI. To má za následek významný cenový rozdíl u 6palcových waferů: 300 USD oproti 2 000 USD, což představuje 85% snížení nákladů.
②Je již široce používán na trhu spotřební elektroniky pro akustické filtry(750 000 kusů ročně, používá Samsung, Apple, Sony atd.).
◆ Výkonnostní výhody LTOI vs LNOI
①Méně vad materiálu, slabší fotorefrakční efekt, větší stabilita
Zpočátku modulátory LNOI často vykazovaly drift bodu zkreslení, primárně kvůli akumulaci náboje způsobenému defekty na rozhraní vlnovodu. Pokud se tato zařízení neléčí, může trvat až jeden den, než se stabilizují. K řešení tohoto problému však byly vyvinuty různé metody, jako je použití opláštění oxidem kovu, polarizace substrátu a žíhání, díky čemuž je nyní tento problém z velké části zvládnutelný.
Naproti tomu LTOI má méně defektů materiálu, což vede k výrazně sníženému jevu driftu. I bez dalšího zpracování zůstává jeho pracovní bod relativně stabilní. Podobné výsledky byly hlášeny EPFL, Harvardem a Zhejiang University. Srovnání však často používá neošetřené modulátory LNOI, což nemusí být úplně fér; při zpracování je výkon obou materiálů pravděpodobně podobný. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že LTOI vyžaduje méně dalších kroků zpracování.
②Dolní dvojlom: 0,004 vs 0,07
Vysoký dvojlom niobátu lithného (LNOI) může být občas náročný, zejména proto, že ohyby vlnovodu mohou způsobit vazbu vidů a hybridizaci vidů. V tenkém LNOI může ohyb vlnovodu částečně přeměnit TE světlo na TM světlo, což komplikuje výrobu určitých pasivních zařízení, jako jsou filtry.
U LTOI tento problém eliminuje nižší dvojlom, což potenciálně usnadňuje vývoj vysoce výkonných pasivních zařízení. EPFL také oznámila pozoruhodné výsledky, využívající nízký dvojlom LTOI a absenci křížení vidů k dosažení ultra-širokého spektra elektro-optických frekvenčních hřebenů s řízením ploché disperze v širokém spektrálním rozsahu. To vedlo k působivé šířce pásma hřebenu 450 nm s více než 2000 hřebenovými liniemi, několikrát větší, než čeho lze dosáhnout s niobatem lithným. Ve srovnání s optickými frekvenčními hřebeny Kerr nabízejí elektrooptické hřebeny tu výhodu, že jsou bezprahové a stabilnější, ačkoli vyžadují vysokovýkonný mikrovlnný vstup.
③Vyšší práh optického poškození
Práh optického poškození LTOI je dvojnásobný oproti LNOI, což nabízí výhodu v nelineárních aplikacích (a potenciálně budoucích aplikacích Coherent Perfect Absorption (CPO)). Současné úrovně výkonu optického modulu pravděpodobně nepoškodí lithium niobát.
④Nízký Ramanův efekt
To se týká i nelineárních aplikací. Niobát lithný má silný Ramanův efekt, který v aplikacích Kerr s optickými frekvenčními hřebeny může vést k nechtěnému generování Ramanova světla a získat konkurenci, což zabraňuje x-cut lithium niobátovým optickým frekvenčním hřebenům dosáhnout solitonového stavu. S LTOI lze potlačit Ramanův efekt pomocí designu orientace krystalu, což umožňuje X-cut LTOI dosáhnout generování solitonové optické frekvence hřebenu. To umožňuje monolitickou integraci solitonových optických frekvenčních hřebenů s vysokorychlostními modulátory, což s LNOI nelze dosáhnout.
◆ Proč nebyl tenkovrstvý lithium tantalát (LTOI) zmíněn dříve?
Lithium tantalát má nižší Curieovu teplotu než niobát lithný (610 °C vs. 1157 °C). Před vývojem technologie heterointegrace (XOI) byly modulátory niobátu lithia vyráběny pomocí difúze titanu, která vyžaduje žíhání při teplotě nad 1000 °C, což činí LTOI nevhodným. Avšak s dnešním posunem k používání izolačních substrátů a vlnovodného leptání pro tvorbu modulátorů je Curieova teplota 610 °C více než dostačující.
◆ Nahradí tenkovrstvý lithiový tantalát (LTOI) tenkovrstvý lithiový niobát (TFLN)?
Na základě současného výzkumu nabízí LTOI výhody v pasivním výkonu, stabilitě a výrobních nákladech ve velkém měřítku bez zjevných nevýhod. LTOI však v modulačním výkonu nepřekoná lithium niobát a problémy se stabilitou u LNOI mají známá řešení. U komunikačních DR modulů je minimální poptávka po pasivních součástkách (a v případě potřeby lze použít nitrid křemíku). Kromě toho jsou nutné nové investice do obnovy procesů leptání na úrovni plátků, heterointegračních technik a testování spolehlivosti (potíž s leptáním niobátu lithného nebyla vlnovod, ale dosažení leptání na úrovni plátku s vysokou výtěžností). Proto, aby mohl LTOI konkurovat zavedenému postavení niobátu lithného, bude možná muset odhalit další výhody. Z akademického hlediska však LTOI nabízí významný výzkumný potenciál pro integrované systémy na čipu, jako jsou oktávové elektrooptické hřebeny, zařízení PPLT, soliton a AWG s dělením vlnové délky a modulátory pole.
Čas odeslání: List-08-2024