Tankoslojni litijev tantalat (LTOI): material naslednje zvezde za modulatorje visoke hitrosti?

Tankoplastni material litijevega tantalata (LTOI) se pojavlja kot pomembna nova sila na področju integrirane optike. Letos je bilo objavljenih več del na visoki ravni o modulatorjih LTOI, z visokokakovostnimi rezinami LTOI, ki jih je zagotovil profesor Xin Ou s Šanghajskega inštituta za mikrosisteme in informacijsko tehnologijo, in visokokakovostnimi postopki valovodnega jedkanja, ki jih je razvila skupina profesorja Kippenberga pri EPFL , Švica. Njihova skupna prizadevanja so pokazala impresivne rezultate. Poleg tega sta raziskovalni skupini z univerze Zhejiang, ki jo vodi profesor Liu Liu, in univerze Harvard, ki jo vodi profesor Lončar, prav tako poročali o hitrih in visoko stabilnih modulatorjih LTOI.

Kot bližnji sorodnik tankoslojnega litijevega niobata (LNOI) LTOI ohranja modulacijo visoke hitrosti in značilnosti nizke izgube litijevega niobata, obenem pa ponuja prednosti, kot so nizki stroški, nizka dvolomnost in zmanjšani učinki fotorefrakcije. Spodaj je predstavljena primerjava glavnih značilnosti obeh materialov.

微信图片_20241106164015

◆ Podobnosti med litijevim tantalatom (LTOI) in litijevim niobatom (LNOI)
Indeks loma:2.12 proti 2.21
To pomeni, da so dimenzije enomodnega valovoda, upogibni radij in običajne velikosti pasivnih naprav na podlagi obeh materialov zelo podobni, prav tako pa je primerljiva tudi njihova zmogljivost spajanja vlaken. Z dobrim valovodnim jedkanjem lahko oba materiala dosežeta vstavljeno izgubo<0,1 dB/cm. EPFL poroča o izgubi valovoda 5,6 dB/m.

Elektrooptični koeficient:30,5 pm/V proti 30,9 pm/V
Učinkovitost modulacije je primerljiva za oba materiala, z modulacijo, ki temelji na Pockelsovem učinku, kar omogoča visoko pasovno širino. Trenutno lahko modulatorji LTOI dosežejo zmogljivost 400G na vozni pas s pasovno širino, ki presega 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Pasovna vrzel:3,93 eV proti 3,78 eV
Oba materiala imata široko prozorno okno, ki podpira aplikacije od vidnih do infrardečih valovnih dolžin, brez absorpcije v komunikacijskih pasovih.

Nelinearni koeficient drugega reda (d33):21 pm/V proti 27 pm/V
Če se uporablja za nelinearne aplikacije, kot je generiranje drugega harmonika (SHG), generiranje diferenčne frekvence (DFG) ali generiranje vsote frekvenc (SFG), bi morala biti učinkovitost pretvorbe obeh materialov precej podobna.

◆ Stroškovna prednost LTOI v primerjavi z LNOI
Nižji stroški priprave oblatov
LNOI zahteva implantacijo ionov He za ločevanje plasti, ki ima nizko učinkovitost ionizacije. V nasprotju s tem LTOI uporablja implantacijo H ionov za ločevanje, podobno kot SOI, z več kot 10-krat večjo učinkovitostjo delaminacije kot LNOI. Posledica tega je znatna razlika v ceni za 6-palčne rezine: 300 USD v primerjavi z 2000 USD, kar je 85-odstotno znižanje stroškov.

微信图片_20241106165545

Na trgu zabavne elektronike se že pogosto uporablja za akustične filtre(750.000 enot letno, uporabljajo jih Samsung, Apple, Sony itd.).

微信图片_20241106165539

◆ Prednosti LTOI v primerjavi z LNOI
Manj napak v materialu, šibkejši fotorefrakcijski učinek, večja stabilnost
Sprva so modulatorji LNOI pogosto kazali odmik točke pristranskosti, predvsem zaradi kopičenja naboja, ki ga povzročajo napake na vmesniku valovoda. Če se te naprave ne zdravijo, lahko traja do en dan, da se stabilizirajo. Vendar pa so bile razvite različne metode za reševanje te težave, kot je uporaba obloge iz kovinskega oksida, polarizacija substrata in žarjenje, zaradi česar je ta problem zdaj v veliki meri obvladljiv.
V nasprotju s tem ima LTOI manj materialnih napak, kar vodi do znatno zmanjšanega odnašanja. Tudi brez dodatne obdelave ostaja njegova delovna točka razmeroma stabilna. O podobnih rezultatih so poročali EPFL, Harvard in univerza Zhejiang. Vendar primerjava pogosto uporablja neobdelane modulatorje LNOI, kar morda ni povsem pošteno; pri obdelavi je zmogljivost obeh materialov verjetno podobna. Glavna razlika je v tem, da LTOI zahteva manj dodatnih korakov obdelave.

微信图片_20241106165708

Nižja dvolomnost: 0,004 proti 0,07
Visoka dvolomnost litijevega niobata (LNOI) je lahko včasih izziv, zlasti ker lahko zavoji valovoda povzročijo sklopitev načinov in hibridizacijo načinov. Pri tankem LNOI lahko zavoj v valovodu delno pretvori svetlobo TE v svetlobo TM, kar oteži izdelavo nekaterih pasivnih naprav, kot so filtri.
Z LTOI nižja dvolomnost odpravlja to težavo, kar lahko olajša razvoj visoko zmogljivih pasivnih naprav. EPFL je prav tako poročal o pomembnih rezultatih, pri čemer je izkoristil nizko dvolomnost LTOI in odsotnost prehajanja med načini, da bi dosegel ultra širok spekter elektrooptičnega frekvenčnega kombiniranja z ravno disperzijsko kontrolo v širokem spektralnem območju. To je povzročilo impresivno pasovno širino glavnika 450 nm z več kot 2000 črtami glavnika, kar je nekajkrat več kot je mogoče doseči z litijevim niobatom. V primerjavi z optičnimi frekvenčnimi glavniki Kerr ponujajo elektro-optični glavniki to prednost, da so brez praga in so bolj stabilni, čeprav zahtevajo mikrovalovni vhod visoke moči.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Višji prag optične poškodbe
Prag optične poškodbe LTOI je dvakrat večji od praga LNOI, kar ponuja prednost pri nelinearnih aplikacijah (in potencialno prihodnjih aplikacijah koherentne popolne absorpcije (CPO)). Ni verjetno, da bi trenutne ravni moči optičnega modula poškodovale litijev niobat.
Nizek Ramanov učinek
To velja tudi za nelinearne aplikacije. Litijev niobat ima močan Ramanov učinek, ki lahko v aplikacijah Kerrovega optičnega frekvenčnega glavnika povzroči neželeno generacijo Ramanove svetlobe in pridobi konkurenco, kar preprečuje, da bi optični frekvenčni glavniki x-cut litijevega niobata dosegli stanje solitona. Z LTOI je mogoče Ramanov učinek zatreti z zasnovo kristalne orientacije, kar omogoča x-cut LTOI, da doseže solitonsko generiranje optičnega frekvenčnega glavnika. To omogoča monolitno integracijo solitonskih optičnih frekvenčnih glavnikov z modulatorji visoke hitrosti, kar ni mogoče doseči z LNOI.
◆ Zakaj tankoslojni litijev tantalat (LTOI) ni bil omenjen prej?
Litijev tantalat ima nižjo Curiejevo temperaturo kot litijev niobat (610 °C proti 1157 °C). Pred razvojem tehnologije heterointegracije (XOI) so bili modulatorji litijevega niobata izdelani z uporabo difuzije titana, ki zahteva žarjenje pri več kot 1000 °C, zaradi česar LTOI ni primeren. Vendar pa je z današnjim premikom k uporabi izolatorskih podlag in valovodnega jedkanja za oblikovanje modulatorja Curiejeva temperatura 610 °C več kot zadostna.
◆ Ali bo tankoslojni litijev tantalat (LTOI) nadomestil tankoslojni litijev niobat (TFLN)?
Na podlagi trenutnih raziskav ponuja LTOI prednosti v pasivnem delovanju, stabilnosti in stroških velike proizvodnje brez očitnih pomanjkljivosti. Vendar pa LTOI ne presega litijevega niobata v zmogljivosti modulacije in težave s stabilnostjo pri LNOI so znane rešitve. Za komunikacijske module DR je minimalno povpraševanje po pasivnih komponentah (po potrebi bi lahko uporabili silicijev nitrid). Poleg tega so potrebne nove naložbe za ponovno vzpostavitev postopkov jedkanja na ravni rezin, tehnik heterointegracije in testiranja zanesljivosti (težava pri jedkanju z litijevim niobatom ni bila valovod, temveč doseganje jedkanja na ravni rezin z visokim izkoristkom). Zato bo moral LTOI za tekmovanje z uveljavljenim položajem litijevega niobata odkriti nadaljnje prednosti. Akademsko gledano pa LTOI ponuja pomemben raziskovalni potencial za integrirane sisteme na čipu, kot so elektrooptični glavniki, ki obsegajo oktave, PPLT, naprave za delitev valovnih dolžin solitonov in AWG ter modulatorji nizov.


Čas objave: Nov-08-2024