Tankoplastni material litijevega tantalata (LTOI) se pojavlja kot pomembna nova sila na področju integrirane optike. Letos je bilo objavljenih več odmevnih del o modulatorjih LTOI, pri čemer je profesor Xin Ou s Šanghajskega inštituta za mikrosisteme in informacijsko tehnologijo zagotovil visokokakovostne rezine LTOI, skupina profesorja Kippenberga na EPFL v Švici pa je razvila visokokakovostne postopke jedkanja valovodov. Njihova skupna prizadevanja so pokazala impresivne rezultate. Poleg tega sta raziskovalni skupini z Univerze Zhejiang pod vodstvom profesorja Liu Liuja in Univerze Harvard pod vodstvom profesorja Loncarja poročali tudi o visokohitrostnih in visokostabilnih modulatorjih LTOI.
Kot bližnji sorodnik tankoplastnega litijevega niobata (LNOI) LTOI ohranja visokohitrostno modulacijo in nizke izgube litijevega niobata, hkrati pa ponuja prednosti, kot so nizki stroški, nizka dvolomnost in zmanjšani fotorefraktivni učinki. Spodaj je predstavljena primerjava glavnih značilnosti obeh materialov.
◆ Podobnosti med litijevim tantalatom (LTOI) in litijevim niobatom (LNOI)
①Lomni količnik:2,12 proti 2,21
To pomeni, da so dimenzije enomodnega valovoda, polmer upogiba in velikosti običajnih pasivnih naprav na osnovi obeh materialov zelo podobne, prav tako pa je primerljiva tudi njuna zmogljivost spajanja vlaken. Z dobrim jedkanjem valovoda lahko oba materiala dosežeta vstavljeno izgubo<0,1 dB/cm. EPFL poroča o izgubi valovoda 5,6 dB/m.
2Elektrooptični koeficient:30,5 pm/V v primerjavi z 30,9 pm/V
Učinkovitost modulacije je primerljiva za oba materiala, pri čemer modulacija temelji na Pockelsovem efektu, kar omogoča visoko pasovno širino. Trenutno so LTOI modulatorji sposobni doseči zmogljivost 400 G na pas, s pasovno širino, ki presega 110 GHz.
3Pasovna vrzel:3,93 eV v primerjavi s 3,78 eV
Oba materiala imata široko prozorno okno, ki podpira aplikacije od vidnih do infrardečih valovnih dolžin, brez absorpcije v komunikacijskih pasovih.
4Nelinearni koeficient drugega reda (d33):21.00/V v primerjavi s 27.00/V
Če se uporabljata za nelinearne aplikacije, kot so generiranje drugega harmonika (SHG), generiranje diferenčne frekvence (DFG) ali generiranje vsote frekvence (SFG), bi morala biti učinkovitost pretvorbe obeh materialov precej podobna.
◆ Stroškovna prednost LTOI v primerjavi z LNOI
①Nižji stroški priprave rezin
LNOI zahteva implantacijo ionov He za ločevanje plasti, kar ima nizko učinkovitost ionizacije. Nasprotno pa LTOI uporablja implantacijo ionov H za ločevanje, podobno kot SOI, z učinkovitostjo delaminacije, ki je več kot 10-krat višja kot LNOI. To ima za posledico znatno razliko v ceni 6-palčnih rezin: 300 $ v primerjavi z 2000 $, kar pomeni 85-odstotno znižanje stroškov.
2Na trgu potrošniške elektronike se že pogosto uporablja za akustične filtre.(750.000 enot letno, ki jih uporabljajo Samsung, Apple, Sony itd.).
◆ Prednosti delovanja LTOI v primerjavi z LNOI
①Manj napak v materialu, šibkejši fotorefraktivni učinek, večja stabilnost
Sprva so LNOI modulatorji pogosto kazali zamik točke prednapetosti, predvsem zaradi kopičenja naboja, ki ga povzročajo napake na vmesniku valovoda. Če se te naprave ne stabilizirajo, lahko traja do en dan. Vendar pa so bile razvite različne metode za reševanje te težave, kot so uporaba kovinsko-oksidne obloge, polarizacija substrata in žarjenje, zaradi česar je ta težava zdaj v veliki meri obvladljiva.
V nasprotju s tem ima LTOI manj materialnih napak, kar vodi do znatno manjšega pojava driftanja. Tudi brez dodatne obdelave ostaja njegova delovna točka relativno stabilna. Podobne rezultate so poročali EPFL, Harvard in Univerza Zhejiang. Vendar pa primerjava pogosto uporablja neobdelane modulatorje LNOI, kar morda ni povsem pošteno; z obdelavo je delovanje obeh materialov verjetno podobno. Glavna razlika je v tem, da LTOI zahteva manj dodatnih korakov obdelave.
2Nižja dvolomnost: 0,004 v primerjavi z 0,07
Visoka dvolomnost litijevega niobata (LNOI) je lahko včasih izziv, zlasti ker lahko upogibi valovoda povzročijo sklopitev modov in hibridizacijo modov. Pri tankem LNOI lahko upogib v valovodu delno pretvori TE svetlobo v TM svetlobo, kar otežuje izdelavo nekaterih pasivnih naprav, kot so filtri.
Pri LTOI nižja dvolomnost odpravlja to težavo, kar lahko olajša razvoj visokozmogljivih pasivnih naprav. Tudi EPFL je poročal o opaznih rezultatih, pri čemer je izkoristil nizko dvolomnost LTOI in odsotnost križanja modov za doseganje generacije elektrooptičnega frekvenčnega glavnika ultra širokega spektra z ravnim nadzorom disperzije v širokem spektralnem območju. To je privedlo do impresivne pasovne širine glavnika 450 nm z več kot 2000 glavničnimi linijami, kar je nekajkrat več kot je mogoče doseči z litijevim niobatom. V primerjavi s Kerrovimi optičnimi frekvenčnimi glavniki ponujajo elektrooptični glavniki prednost, da so brez pragov in bolj stabilni, čeprav zahtevajo visokozmogljiv mikrovalovni vhod.
3Višji prag optične poškodbe
Prag optične poškodbe pri LTOI je dvakrat večji od praga pri LNOI, kar ponuja prednost pri nelinearnih aplikacijah (in potencialno prihodnjih aplikacijah koherentne popolne absorpcije (CPO)). Trenutne ravni moči optičnih modulov verjetno ne bodo poškodovale litijevega niobata.
4Nizek Ramanov učinek
To velja tudi za nelinearne aplikacije. Litijev niobat ima močan Ramanov učinek, ki lahko pri aplikacijah Kerrjevih optičnih frekvenčnih glavnikov povzroči neželeno generacijo Ramanove svetlobe in konkurenco ojačanja, kar preprečuje, da bi x-cut litijev niobatni optični frekvenčni glavniki dosegli solitonsko stanje. Z LTOI je mogoče Ramanov učinek zatreti z zasnovo kristalne orientacije, kar omogoča x-cut LTOI, da doseže generacijo solitonskih optičnih frekvenčnih glavnikov. To omogoča monolitno integracijo solitonskih optičnih frekvenčnih glavnikov z visokohitrostnimi modulatorji, kar z LNOI ni mogoče doseči.
◆ Zakaj tankoplastni litijev tantalat (LTOI) ni bil omenjen prej?
Litijev tantalat ima nižjo Curiejevo temperaturo kot litijev niobat (610 °C v primerjavi s 1157 °C). Pred razvojem tehnologije heterointegracije (XOI) so bili modulatorji litijevega niobata izdelani z uporabo difuzije titana, ki zahteva žarjenje pri nad 1000 °C, zaradi česar LTOI ni primeren. Vendar pa je z današnjim prehodom na uporabo izolatorskih substratov in jedkanja valovodov za tvorbo modulatorjev Curiejeva temperatura 610 °C več kot zadostna.
◆ Ali bo tankoplastni litijev tantalat (LTOI) nadomestil tankoplastni litijev niobat (TFLN)?
Na podlagi trenutnih raziskav LTOI ponuja prednosti v pasivni zmogljivosti, stabilnosti in stroških obsežne proizvodnje, brez očitnih pomanjkljivosti. Vendar LTOI ne presega litijevega niobata v modulacijski zmogljivosti, težave s stabilnostjo pri LNOI pa imajo znane rešitve. Pri komunikacijskih DR modulih je minimalno povpraševanje po pasivnih komponentah (po potrebi bi se lahko uporabil silicijev nitrid). Poleg tega so potrebne nove naložbe za ponovno vzpostavitev procesov jedkanja na ravni rezin, tehnik heterointegracije in testiranja zanesljivosti (težava pri jedkanju litijevega niobata ni bil valovod, temveč doseganje visokozmogljivega jedkanja na ravni rezin). Zato bo LTOI morda moral odkriti nadaljnje prednosti, da bi konkuriral uveljavljenemu položaju litijevega niobata. Akademsko pa LTOI ponuja pomemben raziskovalni potencial za integrirane sisteme na čipu, kot so elektrooptični glavniki z oktavnim razponom, PPLT, solitonske in AWG naprave za delitev valovnih dolžin ter matrični modulatorji.
Čas objave: 8. november 2024