Tankoslojni materijal litij tantalat (LTOI) pojavljuje se kao značajna nova snaga u području integrirane optike. Ove je godine objavljeno nekoliko radova na visokoj razini o LTOI modulatorima, s visokokvalitetnim LTOI pločicama koje je osigurao profesor Xin Ou sa Šangajskog instituta za mikrosustavne i informacijske tehnologije, te visokokvalitetnim procesima jetkanja valovoda koje je razvila grupa profesora Kippenberga na EPFL-u , Švicarska. Njihovi zajednički napori pokazali su impresivne rezultate. Osim toga, istraživački timovi sa Sveučilišta Zhejiang pod vodstvom profesora Liu Liua i Sveučilišta Harvard pod vodstvom profesora Loncara također su izvijestili o brzim i stabilnim LTOI modulatorima.
Kao blizak rođak tankoslojnog litijeva niobata (LNOI), LTOI zadržava značajke modulacije velike brzine i malih gubitaka litijeva niobata, a istovremeno nudi prednosti kao što su niska cijena, niska dvolomnost i smanjeni efekti fotorefrakcije. U nastavku je prikazana usporedba glavnih karakteristika dva materijala.
◆ Sličnosti između litij tantalata (LTOI) i litij niobata (LNOI)
①Indeks loma:2.12 nasuprot 2.21
To implicira da su dimenzije jednomodnog valovoda, radijus savijanja i uobičajene veličine pasivnih uređaja temeljene na oba materijala vrlo slične, a njihova izvedba spajanja vlakana također je usporediva. Uz dobro jetkanje valovoda, oba materijala mogu postići uneseni gubitak od<0,1 dB/cm. EPFL izvještava o gubitku valovoda od 5,6 dB/m.
②Elektrooptički koeficijent:30,5 pm/V u odnosu na 30,9 pm/V
Učinkovitost modulacije je usporediva za oba materijala, s modulacijom koja se temelji na Pockelsovom učinku, što omogućuje veliku propusnost. Trenutno LTOI modulatori mogu postići performanse od 400G po stazi, s propusnošću koja prelazi 110 GHz.
③Razmak između pojaseva:3,93 eV u odnosu na 3,78 eV
Oba materijala imaju široki prozirni prozor, podržavajući aplikacije od vidljivih do infracrvenih valnih duljina, bez apsorpcije u komunikacijskim pojasima.
④Nelinearni koeficijent drugog reda (d33):21 pm/V u odnosu na 27 pm/V
Ako se koristi za nelinearne primjene kao što je generiranje drugog harmonika (SHG), generiranje razlike frekvencije (DFG) ili generiranje zbroja frekvencija (SFG), učinkovitosti pretvorbe dvaju materijala trebale bi biti prilično slične.
◆ Troškovna prednost LTOI u odnosu na LNOI
①Niži troškovi pripreme oblatni
LNOI zahtijeva implantaciju iona He za odvajanje slojeva, što ima nisku učinkovitost ionizacije. Nasuprot tome, LTOI koristi implantaciju H iona za odvajanje, slično SOI, s učinkovitošću delaminacije preko 10 puta većom od LNOI. To rezultira značajnom razlikom u cijeni za 6-inčne vafle: 300 USD naspram 2000 USD, smanjenje troškova od 85%.
②Već se široko koristi na tržištu potrošačke elektronike za akustične filtre(750 000 jedinica godišnje, koriste ih Samsung, Apple, Sony itd.).
◆ Prednosti izvedbe LTOI u odnosu na LNOI
①Manje nedostataka materijala, slabiji fotorefrakcijski učinak, veća stabilnost
U početku su LNOI modulatori često pokazivali pomicanje točke prednaprezanja, prvenstveno zbog nakupljanja naboja uzrokovanog defektima na sučelju valovoda. Ako se ne liječe, tim bi uređajima mogao potrajati i do jedan dan da se stabiliziraju. Međutim, razvijene su različite metode za rješavanje ovog problema, kao što je korištenje presvlake od metalnih oksida, polarizacija supstrata i žarenje, što ovaj problem sada čini uvelike rješivim.
Nasuprot tome, LTOI ima manje materijalnih nedostataka, što dovodi do značajno smanjenog fenomena pomaka. Čak i bez dodatne obrade, njegova radna točka ostaje relativno stabilna. Slične rezultate objavili su EPFL, Harvard i Sveučilište Zhejiang. Međutim, usporedba često koristi netretirane LNOI modulatore, što možda nije sasvim pošteno; s obradom, performanse oba materijala su vjerojatno slične. Glavna razlika je u tome što LTOI zahtijeva manje dodatnih koraka obrade.
②Niža dvolomnost: 0,004 naspram 0,07
Visoka dvolomnost litijeva niobata (LNOI) ponekad može biti izazovna, osobito jer zavoji valovoda mogu uzrokovati sprezanje modova i hibridizaciju modova. U tankom LNOI, zavoj u valovodu može djelomično pretvoriti TE svjetlost u TM svjetlost, komplicirajući izradu određenih pasivnih uređaja, poput filtara.
Uz LTOI, niži dvolom eliminira ovaj problem, potencijalno olakšavajući razvoj visokoučinkovitih pasivnih uređaja. EPFL je također izvijestio o zapaženim rezultatima, iskorištavanjem niske dvolomnosti LTOI-a i odsutnosti križanja modova za postizanje ultraširokog spektra elektrooptičke frekvencijske kombinacije s ravnom kontrolom disperzije u širokom spektralnom rasponu. To je rezultiralo impresivnom širinom pojasa češlja od 450 nm s više od 2000 linija češlja, nekoliko puta većim od onoga što se može postići s litijevim niobatom. U usporedbi s Kerrovim optičkim frekvencijskim češljevima, elektrooptički češljevi nude prednost jer su bez praga i stabilniji su, iako zahtijevaju mikrovalni ulaz velike snage.
③Viši prag optičkog oštećenja
Prag optičkog oštećenja LTOI dvostruko je veći od LNOI, što nudi prednost u nelinearnim primjenama (i potencijalno budućim primjenama koherentne savršene apsorpcije (CPO)). Trenutačne razine snage optičkog modula vjerojatno neće oštetiti litij niobat.
④Niski Ramanov učinak
Ovo se također odnosi na nelinearne primjene. Litijev niobat ima snažan Ramanov učinak, koji u primjenama Kerr optičkog frekvencijskog češlja može dovesti do neželjene generacije Ramanove svjetlosti i dobiti konkurenciju, sprječavajući x-cut litijeve niobatne optičke frekvencijske češljeve da dosegnu stanje solitona. Uz LTOI, Ramanov efekt može se potisnuti dizajnom orijentacije kristala, omogućujući x-cut LTOI da postigne solitonsku optičku frekvencijsku generaciju. To omogućuje monolitnu integraciju solitonskih optičkih frekvencijskih češljeva s modulatorima velike brzine, što nije moguće postići s LNOI.
◆ Zašto tankoslojni litij tantalat (LTOI) nije ranije spomenut?
Litijev tantalat ima nižu Curiejevu temperaturu od litijevog niobata (610°C naspram 1157°C). Prije razvoja tehnologije heterointegracije (XOI), modulatori litijev niobat proizvodili su se pomoću difuzije titana, što zahtijeva žarenje na više od 1000°C, što LTOI čini neprikladnim. Međutim, s današnjim pomakom prema korištenju izolacijskih supstrata i jetkanja valovoda za formiranje modulatora, Curiejeva temperatura od 610°C više je nego dovoljna.
◆ Hoće li tanki film litij tantalat (LTOI) zamijeniti tanki film litij niobat (TFLN)?
Na temelju trenutnog istraživanja, LTOI nudi prednosti u pasivnoj izvedbi, stabilnosti i troškovima velike proizvodnje, bez očitih nedostataka. Međutim, LTOI ne nadmašuje litij niobat u modulacijskim performansama, a problemi stabilnosti s LNOI imaju poznata rješenja. Za komunikacijske DR module postoji minimalna potražnja za pasivnim komponentama (i silicijev nitrid se može koristiti ako je potrebno). Dodatno, potrebna su nova ulaganja za ponovnu uspostavu procesa jetkanja na razini pločica, tehnika heterointegracije i testiranja pouzdanosti (poteškoća s jetkanjem litijevim niobatom nije bio valovod, već postizanje visokog prinosa jetkanja na razini pločica). Stoga, kako bi se natjecao s utvrđenom pozicijom litijeva niobata, LTOI će možda trebati otkriti daljnje prednosti. Akademski, međutim, LTOI nudi značajan istraživački potencijal za integrirane sustave na čipu, kao što su elektrooptički češljevi raspona oktave, PPLT, soliton i AWG uređaji za dijeljenje valnih duljina i modulatori nizova.
Vrijeme objave: 8. studenog 2024