Tankoslojni litijum tantalat (LTOI) materijal se pojavljuje kao značajna nova snaga u oblasti integrisane optike. Ove godine objavljeno je nekoliko visokokvalitetnih radova o LTOI modulatorima, s visokokvalitetnim LTOI pločicama koje je obezbijedio profesor Xin Ou iz Šangajskog instituta za mikrosistem i informacionu tehnologiju, te visokokvalitetnim procesima nagrizanja valovoda koje je razvila grupa profesora Kippenberga na EPFL-u u Švicarskoj. Njihovi zajednički napori pokazali su impresivne rezultate. Pored toga, istraživački timovi sa Univerziteta Zhejiang, predvođeni profesorom Liu Liuom, i Univerziteta Harvard, predvođen profesorom Loncarom, također su izvijestili o brzim i visokostabilnim LTOI modulatorima.
Kao bliski rođak tankoslojnog litijum niobata (LNOI), LTOI zadržava karakteristike modulacije velike brzine i malih gubitaka litijum niobata, a istovremeno nudi prednosti kao što su niska cijena, nisko dvolomljenje i smanjeni fotorefraktivni efekti. U nastavku je predstavljena usporedba glavnih karakteristika dvaju materijala.
◆ Sličnosti između litijum tantalata (LTOI) i litijum niobata (LNOI)
1Indeks prelamanja:2,12 u odnosu na 2,21
To implicira da su dimenzije jednomodnog valovoda, radijus savijanja i uobičajene veličine pasivnih uređaja baziranih na oba materijala vrlo slične, a njihove performanse spajanja vlakana su također usporedive. Uz dobro nagrizanje valovoda, oba materijala mogu postići gubitak umetnutog signala...<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
Efikasnost modulacije je uporediva za oba materijala, s modulacijom zasnovanom na Pockelsovom efektu, što omogućava visoku propusnost. Trenutno, LTOI modulatori su sposobni postići performanse od 400G po traci, s propusnošću većom od 110 GHz.
3Zazor:3,93 eV u odnosu na 3,78 eV
Oba materijala imaju široki prozirni prozor, podržavajući primjenu od vidljivih do infracrvenih valnih duljina, bez apsorpcije u komunikacijskim opsezima.
4Nelinearni koeficijent drugog reda (d33):21 pm/V u odnosu na 27 pm/V
Ako se koriste za nelinearne primjene kao što su generiranje drugog harmonika (SHG), generiranje diferencijalne frekvencije (DFG) ili generiranje sumarne frekvencije (SFG), efikasnost konverzije dva 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 efikasnost jonizacije. Nasuprot tome, LTOI koristi implantaciju H iona za odvajanje, slično SOI, sa efikasnošću delaminacije preko 10 puta većom od LNOI. To rezultira značajnom razlikom u cijeni za 6-inčne pločice: 300 dolara u odnosu na 2000 dolara, 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 efekat, veća stabilnost
U početku su LNOI modulatori često pokazivali pomicanje tačke pristranosti, prvenstveno zbog akumulacije naboja uzrokovane defektima na granici talasovoda. Ako se ne tretiraju, stabilizacija ovih uređaja mogla bi trajati i do jednog dana. Međutim, razvijene su različite metode za rješavanje ovog problema, kao što je korištenje oblaganja metalnim oksidom, polarizacija supstrata i žarenje, 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 tačka ostaje relativno stabilna. Slične rezultate su objavili EPFL, Harvard i Univerzitet Zhejiang. Međutim, poređenje često koristi netretirane LNOI modulatore, što možda nije sasvim fer; uz obradu, performanse oba materijala su vjerovatno slične. Glavna razlika leži u tome što LTOI zahtijeva manje dodatnih koraka obrade.
2Niža dvolomnost: 0,004 u odnosu na 0,07
Visoka dvolomnost litijum niobata (LNOI) može ponekad biti izazovna, posebno zato što savijanja talasovoda mogu uzrokovati spajanje modova i hibridizaciju modova. Kod tankog LNOI-a, savijanje talasovoda može djelimično pretvoriti TE svjetlost u TM svjetlost, što komplicira izradu određenih pasivnih uređaja, poput filtera.
Sa LTOI, niža dvolomnost eliminiše ovaj problem, potencijalno olakšavajući razvoj visokoperformansnih pasivnih uređaja. EPFL je takođe izvijestio o značajnim rezultatima, koristeći nisku dvolomnost LTOI i odsustvo ukrštanja modova kako bi se postiglo generisanje elektrooptičkog frekventnog češlja ultra širokog spektra sa ravnom kontrolom disperzije u širokom spektralnom opsegu. To je rezultiralo impresivnom širinom pojasa češlja od 450 nm sa preko 2000 linija češlja, nekoliko puta većim od onoga što se može postići sa litijum niobatom. U poređenju sa Kerr optičkim frekventnim češljevima, elektrooptički češljevi nude prednost što su bez praga i stabilniji, iako zahtijevaju mikrotalasni ulaz velike snage.
3Viši prag optičkog oštećenja
Prag optičkog oštećenja kod LTOI je dvostruko veći od praga kod LNOI, što nudi prednost u nelinearnim primjenama (i potencijalno budućim primjenama koherentne savršene apsorpcije (CPO)). Trenutni nivoi snage optičkih modula vjerovatno neće oštetiti litijum niobat.
4Nizak Ramanov efekat
Ovo se također odnosi na nelinearne primjene. Litijum niobat ima snažan Ramanov efekat, koji u primjenama Kerrovog optičkog frekventnog češlja može dovesti do neželjenog generisanja Ramanove svjetlosti i konkurencije pojačanja, sprječavajući da x-cut optički frekventni češljevi litijum niobata dostignu solitonsko stanje. Sa LTOI, Ramanov efekat se može potisnuti dizajnom orijentacije kristala, omogućavajući x-cut LTOI da postigne generisanje solitonskog optičkog frekventnog češlja. Ovo omogućava monolitnu integraciju solitonskih optičkih frekventnih češljeva sa modulatorima velike brzine, što nije moguće postići sa LNOI.
◆ Zašto tankoslojni litijum tantalat (LTOI) nije ranije spomenut?
Litijum tantalat ima nižu Curiejevu temperaturu od litijum niobata (610°C u odnosu na 1157°C). Prije razvoja tehnologije heterointegracije (XOI), modulatori litijum niobata su se proizvodili korištenjem difuzije titana, koja zahtijeva žarenje na preko 1000°C, što LTOI čini neprikladnim. Međutim, s današnjim prelaskom na korištenje izolatorskih supstrata i nagrizanje valovoda za formiranje modulatora, Curiejeva temperatura od 610°C je više nego dovoljna.
◆ Hoće li tankoslojni litijum tantalat (LTOI) zamijeniti tankoslojni litijum niobat (TFLN)?
Na osnovu trenutnih istraživanja, LTOI nudi prednosti u pasivnim performansama, stabilnosti i troškovima proizvodnje velikih razmjera, bez očiglednih nedostataka. Međutim, LTOI ne nadmašuje litijum niobat u performansama modulacije, a problemi sa stabilnošću kod LNOI imaju poznata rješenja. Za komunikacijske DR module, postoji minimalna potražnja za pasivnim komponentama (a silicijum nitrid bi se mogao koristiti po potrebi). Pored toga, potrebna su nova ulaganja kako bi se ponovo uspostavili procesi nagrizanja na nivou pločice, tehnike heterointegracije i testiranje pouzdanosti (poteškoća sa nagrizanjem litijum niobatom nije bio talasovod, već postizanje visokog prinosa nagrizanja na nivou pločice). Stoga, da bi se takmičio sa uspostavljenom pozicijom litijum niobata, LTOI će možda morati otkriti daljnje prednosti. Međutim, akademski gledano, LTOI nudi značajan istraživački potencijal za integrisane sisteme na čipu, kao što su elektrooptički češljevi koji obuhvataju oktave, PPLT, solitonski i AWG uređaji za podjelu talasnih dužina i modulatori nizova.
Vrijeme objave: 08.11.2024.