Tankoslojni litijev tantalat (LTOI) materijal pojavljuje se kao značajna nova snaga u području integrirane optike. Ove godine objavljeno je nekoliko vrhunskih radova o LTOI modulatorima, s visokokvalitetnim LTOI pločicama koje je osigurao profesor Xin Ou iz Šangajskog instituta za mikrosustave i informacijsku tehnologiju, te visokokvalitetnim procesima jetkanja valovoda koje je razvila grupa profesora Kippenberga na EPFL-u u Švicarskoj. Njihovi zajednički napori pokazali su impresivne rezultate. Osim toga, istraživački timovi sa Sveučilišta Zhejiang predvođeni profesorom Liu Liuom i Sveučilišta Harvard predvođeni profesorom Loncarom također su izvijestili o brzim i visokostabilnim LTOI modulatorima.
Kao bliski rođak tankoslojnog litijevog niobata (LNOI), LTOI zadržava karakteristike modulacije velike brzine i niskih gubitaka litijevog niobata, a istovremeno nudi prednosti poput niske cijene, niskog dvoloma i smanjenih fotorefraktivnih efekata. Usporedba glavnih karakteristika dvaju materijala prikazana je u nastavku.
◆ Sličnosti između litijevog tantalata (LTOI) i litijevog niobata (LNOI)
1Indeks loma:2,12 u odnosu na 2,21
To implicira da su dimenzije jednomodnog valovoda, radijus savijanja i uobičajene veličine pasivnih uređaja temeljene na oba materijala vrlo slične, a njihove performanse spajanja vlakana također su usporedive. Dobrim jetkanjem valovoda, oba materijala mogu postići umetnuti gubitak<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 temeljenom na Pockelsovom efektu, što omogućuje visoku propusnost. Trenutno su LTOI modulatori sposobni postići performanse od 400G po traci, s propusnošću većom od 110 GHz.
3Razmak pojasa:3,93 eV u odnosu na 3,78 eV
Oba materijala imaju široki prozirni prozor, što podržava primjenu od vidljivih do infracrvenih valnih duljina, bez apsorpcije u komunikacijskim pojasevima.
4Nelinearni koeficijent drugog reda (d33):21 sat/V u odnosu na 27 sati/V
Ako se koriste za nelinearne primjene kao što su generiranje drugog harmonika (SHG), generiranje diferencijalne frekvencije (DFG) ili generiranje zbrojne frekvencije (SFG), učinkovitost pretvorbe dvaju materijala trebala bi biti prilično slična.
◆ Troškovna prednost LTOI u odnosu na LNOI
1Niži troškovi pripreme vafla
LNOI zahtijeva implantaciju He iona 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 pločice: 300 USD u odnosu na 2000 USD, što je smanjenje troškova od 85%.
2Već se široko koristi na tržištu potrošačke elektronike za akustične filtere(750.000 jedinica godišnje, koriste ih Samsung, Apple, Sony itd.).
◆ Prednosti performansi LTOI u odnosu na LNOI
1Manje materijalnih nedostataka, slabiji fotorefraktivni učinak, veća stabilnost
U početku su LNOI modulatori često pokazivali pomicanje točke pristranosti, prvenstveno zbog nakupljanja naboja uzrokovanog defektima na granici valovoda. Ako se ne tretiraju, stabilizacija ovih uređaja mogla bi trajati i do jednog dana. Međutim, razvijene su različite metode za rješavanje ovog problema, poput korištenja metalnog oksidnog premaza, polarizacije podloge i žarenja, što ovaj problem sada čini uglavnom upravljivim.
Nasuprot tome, LTOI ima manje materijalnih nedostataka, što dovodi do značajno smanjenog fenomena drifta. Čak i bez dodatne obrade, njegova radna točka ostaje relativno stabilna. Slične rezultate izvijestili su EPFL, Harvard i Sveučilište Zhejiang. Međutim, usporedba često koristi netretirane LNOI modulatore, što možda nije sasvim fer; s obradom su performanse oba materijala vjerojatno slične. Glavna razlika leži u tome što LTOI zahtijeva manje dodatnih koraka obrade.
2Niža dvolomnost: 0,004 u odnosu na 0,07
Visoka dvolomnost litijevog niobata (LNOI) ponekad može biti izazovna, posebno jer zavoji valovoda mogu uzrokovati spajanje modova i hibridizaciju modova. U tankom LNOI-ju, zavoj u valovodu može djelomično pretvoriti TE svjetlost u TM svjetlost, što komplicira izradu određenih pasivnih uređaja, poput filtera.
S LTOI-jem, niža dvolomnost eliminira ovaj problem, potencijalno olakšavajući razvoj visokoučinkovitih pasivnih uređaja. EPFL je također izvijestio o značajnim rezultatima, iskorištavajući nisku dvolomnost LTOI-ja i odsutnost križanja modova kako bi se postiglo generiranje elektrooptičkog frekvencijskog češlja ultra širokog spektra s ravnom kontrolom disperzije u širokom spektralnom rasponu. To je rezultiralo impresivnom propusnošću češlja od 450 nm s preko 2000 linija češlja, nekoliko puta većom od onoga što se može postići s litijevim niobatom. U usporedbi s Kerrovim optičkim frekvencijskim češljevima, elektrooptički češljevi nude prednost što nemaju prag i stabilniji su, iako zahtijevaju ulaz mikrovalova velike snage.
3Viši prag optičkog oštećenja
Prag optičkog oštećenja kod LTOI je dvostruko veći od LNOI, što nudi prednost u nelinearnim primjenama (i potencijalno budućim primjenama koherentne savršene apsorpcije (CPO)). Trenutne razine snage optičkih modula vjerojatno neće oštetiti litijev niobat.
4Niski Ramanov efekt
To se također odnosi na nelinearne primjene. Litijev niobat ima snažan Ramanov efekt, koji u primjenama Kerrovog optičkog frekvencijskog češlja može dovesti do neželjenog stvaranja Ramanove svjetlosti i konkurencije pojačanja, sprječavajući da x-cut litijevi niobatni optički frekvencijski češljevi dosegnu solitonsko stanje. S LTOI-jem, Ramanov efekt se može potisnuti dizajnom orijentacije kristala, što omogućuje x-cut LTOI-ju da postigne generiranje solitonskog optičkog frekvencijskog češlja. To omogućuje monolitnu integraciju solitonskih optičkih frekvencijskih češljeva s modulatorima velike brzine, što nije moguće postići s LNOI-jem.
◆ Zašto tankoslojni litijev tantalat (LTOI) nije ranije spomenut?
Litijev tantalat ima nižu Curiejevu temperaturu od litijevog niobata (610 °C u odnosu na 1157 °C). Prije razvoja tehnologije heterointegracije (XOI), modulatori litijevog niobata proizvodili su se difuzijom titana, što zahtijeva žarenje na preko 1000 °C, što LTOI čini neprikladnim. Međutim, s današnjim prelaskom na korištenje izolatorskih podloga i jetkanje valovoda za formiranje modulatora, Curiejeva temperatura od 610 °C je više nego dovoljna.
◆ Hoće li tankoslojni litijev tantalat (LTOI) zamijeniti tankoslojni litijev niobat (TFLN)?
Na temelju trenutnih istraživanja, LTOI nudi prednosti u pasivnim performansama, stabilnosti i troškovima proizvodnje velikih razmjera, bez očitih nedostataka. Međutim, LTOI ne nadmašuje litijev niobat u performansama modulacije, a problemi sa stabilnošću s LNOI imaju poznata rješenja. Za komunikacijske DR module postoji minimalna potražnja za pasivnim komponentama (a silicijev nitrid bi se mogao koristiti ako je potrebno). Osim toga, potrebna su nova ulaganja kako bi se ponovno uspostavili procesi jetkanja na razini pločice, tehnike heterointegracije i testiranje pouzdanosti (poteškoća s jetkanjem litijevim niobatom nije bio valovod, već postizanje visokoprinosnog jetkanja na razini pločice). Stoga, kako bi se natjecao s utvrđenom pozicijom litijevog niobata, LTOI će možda morati otkriti daljnje prednosti. Akademski, međutim, LTOI nudi značajan istraživački potencijal za integrirane sustave na čipu, kao što su elektrooptički češljevi s oktavnim rasponom, PPLT, solitonski i AWG uređaji za podjelu valnih duljina te modulatori niza.
Vrijeme objave: 08.11.2024.