Tenkovrstvý materiál lithného tantalátu (LTOI) se stává významnou novou silou v oblasti integrované optiky. Letos bylo publikováno několik vysoce kvalitních prací o modulátorech LTOI, přičemž vysoce kvalitní destičky LTOI poskytl profesor Xin Ou ze Šanghajského institutu mikrosystémů a informačních technologií a vysoce kvalitní procesy leptání vlnovodů vyvinula skupina profesora Kippenberga na EPFL ve Švýcarsku. Jejich společné úsilí přineslo působivé výsledky. Výzkumné týmy z Univerzity Zhejiang vedené profesorem Liu Liu a Harvardovy univerzity vedené profesorem Loncarem navíc informovaly o vysokorychlostních a vysoce stabilních modulátorech LTOI.
Jako blízký příbuzný tenkovrstvého niobátu lithného (LNOI) si LTOI zachovává vysokorychlostní modulaci a nízkoztrátové vlastnosti niobátu lithného a zároveň nabízí výhody, jako jsou nízké náklady, nízký dvojlom a snížené fotorefraktivní efekty. Srovnání hlavních charakteristik obou materiálů je uvedeno níže.
◆ Podobnosti mezi tantalátem lithným (LTOI) a niobičnanem lithným (LNOI)
①Index lomu:2,12 vs. 2,21
To znamená, že rozměry jednomódového vlnovodu, poloměr ohybu a běžné velikosti pasivních součástek na základě obou materiálů jsou si velmi podobné a jejich výkon při propojení vláken je také srovnatelný. Při dobrém leptání vlnovodu mohou oba materiály dosáhnout vložného útlumu<0,1 dB/cm. EPFL uvádí ztrátu vlnovodu 5,6 dB/m.
2Elektrooptický koeficient:30,5 pm/V vs. 30,9 pm/V
Účinnost modulace je u obou materiálů srovnatelná, přičemž modulace je založena na Pockelsově jevu, což umožňuje vysokou šířku pásma. V současné době jsou modulátory LTOI schopny dosáhnout výkonu 400 G na dráhu s šířkou pásma přesahující 110 GHz.
3Zakázané pásmo:3,93 eV oproti 3,78 eV
Oba materiály mají široké průhledné okno, které podporuje aplikace od viditelných až po infračervené vlnové délky, bez absorpce v komunikačních pásmech.
4Nelineární koeficient druhého řádu (d33):21:00/V vs. 27:00/V
Pokud se používají pro nelineární aplikace, jako je generování druhé harmonické (SHG), generování rozdílové frekvence (DFG) nebo generování součtové frekvence (SFG), měla by být účinnost převodu obou materiálů poměrně podobná.
◆ Nákladová výhoda LTOI oproti LNOI
①Nižší náklady na přípravu oplatky
LNOI vyžaduje pro separaci vrstev implantaci iontů He, což má nízkou ionizační účinnost. Naproti tomu LTOI používá pro separaci implantaci iontů H, podobně jako SOI, s účinností delaminace více než 10krát vyšší než LNOI. To má za následek významný cenový rozdíl u 6palcových destiček: 300 USD oproti 2000 USD, což představuje 85% snížení nákladů.
2Na trhu spotřební elektroniky se již široce používá pro akustické filtry.(750 000 kusů ročně, používané společnostmi Samsung, Apple, Sony atd.).
◆ Výhody LTOI oproti LNOI
①Méně materiálových vad, slabší fotorefraktivní efekt, větší stabilita
Zpočátku LNOI modulátory často vykazovaly posun bodu předpětí, především kvůli akumulaci náboje způsobené defekty na rozhraní vlnovodu. Pokud by se problém neřešil, mohla by stabilizace těchto zařízení trvat až jeden den. Byly však vyvinuty různé metody k řešení tohoto problému, jako je použití povlakování oxidem kovu, polarizace substrátu a žíhání, díky čemuž je tento problém nyní do značné míry zvládnutelný.
Naproti tomu LTOI má méně materiálových vad, což vede k výrazně menšímu driftovému jevu. I bez dodatečného zpracování zůstává jeho provozní bod relativně stabilní. Podobné výsledky byly hlášeny EPFL, Harvardem a Zhejiang University. Srovnání však často používá neupravené modulátory LNOI, což nemusí být zcela spravedlivé; po zpracování je výkon obou materiálů pravděpodobně podobný. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že LTOI vyžaduje méně dodatečných kroků zpracování.
2Nižší dvojlom: 0,004 vs 0,07
Vysoký dvojlom niobátu lithného (LNOI) může být občas náročný, zejména proto, že ohyby vlnovodu mohou způsobit vazbu módů a hybridizaci módů. V tenkém LNOI může ohyb vlnovodu částečně převádět TE světlo na TM světlo, což komplikuje výrobu některých pasivních zařízení, jako jsou filtry.
U LTOI tento problém eliminuje nižší dvojlom, což potenciálně usnadňuje vývoj vysoce výkonných pasivních součástek. EPFL také oznámila pozoruhodné výsledky, kdy využila nízký dvojlom LTOI a absenci křížení módů k dosažení generování elektrooptického frekvenčního hřebenu s ultraširokým spektrem a plochou disperzní regulací v širokém spektrálním rozsahu. Výsledkem byla působivá šířka pásma hřebenu 450 nm s více než 2000 hřebenovými liniemi, což je několikanásobně větší než to, čeho lze dosáhnout s niobátem lithným. Ve srovnání s optickými frekvenčními hřebeny Kerr nabízejí elektrooptické hřebeny výhodu v tom, že jsou bez prahových hodnot a stabilnější, i když vyžadují vysoce výkonný mikrovlnný vstup.
3Vyšší práh optického poškození
Práh optického poškození u LTOI je dvojnásobný oproti LNOI, což nabízí výhodu v nelineárních aplikacích (a potenciálně i v budoucích aplikacích s koherentní dokonalou absorpcí (CPO)). Současné úrovně výkonu optických modulů pravděpodobně nepoškodí niobát lithný.
4Nízký Ramanův jev
To se týká i nelineárních aplikací. Niobát lithný má silný Ramanův jev, který v aplikacích s Kerrovým optickým frekvenčním hřebenem může vést k nežádoucímu generování Ramanova světla a konkurenci zesílení, což brání optickým frekvenčním hřebenům z niobátu lithného s x-cut řezem dosáhnout solitonového stavu. S LTOI lze Ramanův jev potlačit designem orientace krystalu, což umožňuje x-cut LTOI dosáhnout generování solitonových optických frekvenčních hřebenů. To umožňuje monolitickou integraci solitonových optických frekvenčních hřebenů s vysokorychlostními modulátory, což není možné s LNOI.
◆ Proč nebyl dříve zmíněn tenkovrstvý lithium-tantalát (LTOI)?
Tantalát lithný má nižší Curieovu teplotu než niobičnan lithný (610 °C oproti 1157 °C). Před vývojem technologie heterointegrace (XOI) se modulátory z niobičnanu lithného vyráběly pomocí difúze titanu, která vyžaduje žíhání při teplotě přes 1000 °C, takže LTOI není vhodná. S dnešním přechodem k používání izolačních substrátů a leptání vlnovodů pro tvorbu modulátorů je však Curieova teplota 610 °C více než dostatečná.
◆ Nahradí tenkovrstvý tantalát lithia (LTOI) tenkovrstvý niobát lithia (TFLN)?
Na základě současného výzkumu nabízí LTOI výhody v pasivním výkonu, stabilitě a nákladech na velkovýrobu, bez zjevných nevýhod. LTOI však nepřekonává niobát lithný v modulačním výkonu a problémy se stabilitou u LNOI mají známá řešení. U komunikačních DR modulů je minimální poptávka po pasivních součástkách (a v případě potřeby by mohl být použit nitrid křemíku). Kromě toho jsou zapotřebí nové investice k obnovení procesů leptání na úrovni destiček, technik heterointegrace a testování spolehlivosti (problém s leptáním niobátem lithným nespočíval ve vlnovodu, ale v dosažení vysoce účinného leptání na úrovni destiček). Aby tedy LTOI mohla konkurovat zavedené pozici niobátu lithného, bude možná muset odhalit další výhody. Akademicky však LTOI nabízí významný výzkumný potenciál pro integrované systémy na čipu, jako jsou elektrooptické hřebeny s oktávovým rozsahem, PPLT, solitonová a AWG zařízení s vlnovým dělením a maticové modulátory.
Čas zveřejnění: 8. listopadu 2024