Materialul tantalat de litiu (LTOI) cu peliculă subțire se impune ca o nouă forță semnificativă în domeniul opticii integrate. Anul acesta, au fost publicate mai multe lucrări de nivel înalt despre modulatorii LTOI, cu napolitane LTOI de înaltă calitate furnizate de profesorul Xin Ou de la Institutul de Microsisteme și Tehnologia Informației din Shanghai și procese de gravare a ghidurilor de undă de înaltă calitate dezvoltate de grupul profesorului Kippenberg de la EPFL, Elveția. Eforturile lor de colaborare au arătat rezultate impresionante. În plus, echipe de cercetare de la Universitatea Zhejiang conduse de profesorul Liu Liu și de la Universitatea Harvard conduse de profesorul Loncar au raportat, de asemenea, despre modulatorii LTOI de mare viteză și stabilitate ridicată.
Ca rudă apropiată a niobatului de litiu cu peliculă subțire (LNOI), LTOI păstrează caracteristicile de modulație de mare viteză și pierderi reduse ale niobatului de litiu, oferind în același timp avantaje precum cost redus, birefringență scăzută și efecte fotorefractive reduse. O comparație a principalelor caracteristici ale celor două materiale este prezentată mai jos.
◆ Asemănări între tantalatul de litiu (LTOI) și niobatul de litiu (LNOI)
1.Indice de refracție:2.12 față de 2.21
Aceasta implică faptul că dimensiunile ghidului de undă monomodal, raza de îndoire și dimensiunile comune ale dispozitivelor pasive bazate pe ambele materiale sunt foarte similare, iar performanța lor de cuplare a fibrelor este, de asemenea, comparabilă. Cu o gravare bună a ghidului de undă, ambele materiale pot atinge o pierdere de inserție de<0,1 dB/cm. EPFL raportează o pierdere în ghidul de undă de 5,6 dB/m.
2.Coeficient electro-optic:30,5 pm/V față de 30,9 pm/V
Eficiența modulației este comparabilă pentru ambele materiale, modulația bazată pe efectul Pockels permițând o lățime de bandă mare. În prezent, modulatoarele LTOI sunt capabile să atingă o performanță de 400G pe bandă, cu o lățime de bandă care depășește 110 GHz.
③Banda interzisă:3,93 eV față de 3,78 eV
Ambele materiale au o fereastră transparentă largă, suportând aplicații de la lungimi de undă vizibile la infraroșu, fără absorbție în benzile de comunicație.
④Coeficient neliniar de ordinul doi (d33):21:00/V față de 27:00/V
Dacă sunt utilizate pentru aplicații neliniare, cum ar fi generarea de armonice secunde (SHG), generarea de frecvență diferențială (DFG) sau generarea de frecvență sumară (SFG), eficiențele de conversie ale celor două materiale ar trebui să fie destul de similare.
◆ Avantajul de cost al LTOI față de LNOI
1.Cost redus de preparare a napolitanelor
LNOI necesită implantarea ionilor de He pentru separarea straturilor, ceea ce are o eficiență de ionizare scăzută. În schimb, LTOI utilizează implantarea ionilor de H pentru separare, similar cu SOI, cu o eficiență de delaminare de peste 10 ori mai mare decât LNOI. Acest lucru duce la o diferență semnificativă de preț pentru napolitanele de 6 inci: 300 USD față de 2000 USD, o reducere a costurilor de 85%.
2.Este deja utilizat pe scară largă pe piața electronicelor de larg consum pentru filtre acustice.(750.000 de unități anual, utilizate de Samsung, Apple, Sony etc.).
◆ Avantajele de performanță ale LTOI față de LNOI
1.Mai puține defecte de material, efect fotorefractiv mai slab, stabilitate sporită
Inițial, modulatorii LNOI prezentau adesea o deviație a punctului de polarizare, în principal din cauza acumulării de sarcină cauzate de defecte la interfața ghidului de undă. Dacă nu sunt tratați, stabilizarea acestor dispozitive ar putea dura până la o zi. Cu toate acestea, au fost dezvoltate diverse metode pentru a aborda această problemă, cum ar fi utilizarea învelișului cu oxid metalic, polarizarea substratului și recoacerea, ceea ce face ca această problemă să fie în mare parte gestionabilă acum.
În schimb, LTOI are mai puține defecte de material, ceea ce duce la o reducere semnificativă a fenomenelor de drift. Chiar și fără procesare suplimentară, punctul său de funcționare rămâne relativ stabil. Rezultate similare au fost raportate de EPFL, Harvard și Universitatea Zhejiang. Cu toate acestea, comparația utilizează adesea modulatori LNOI netratați, ceea ce poate să nu fie în întregime corect; prin procesare, performanța ambelor materiale este probabil similară. Principala diferență constă în faptul că LTOI necesită mai puține etape suplimentare de procesare.
2.Birefringență inferioară: 0,004 vs 0,07
Birefringența ridicată a niobatului de litiu (LNOI) poate fi uneori dificilă, mai ales că curburile ghidului de undă pot provoca cuplarea modurilor și hibridizarea modurilor. În LNOI subțire, o curbură a ghidului de undă poate converti parțial lumina TE în lumină TM, complicând fabricarea anumitor dispozitive pasive, cum ar fi filtrele.
Cu LTOI, birefringența mai mică elimină această problemă, facilitând potențial dezvoltarea de dispozitive pasive de înaltă performanță. EPFL a raportat, de asemenea, rezultate notabile, valorificând birefringența scăzută a LTOI și absența încrucișării modurilor pentru a obține generarea unui pieptene de frecvență electro-optic cu spectru ultra-larg, cu un control plat al dispersiei pe o gamă spectrală largă. Acest lucru a dus la o lățime de bandă impresionantă de 450 nm a pieptenului, cu peste 2000 de linii de pieptene, de câteva ori mai mare decât ceea ce se poate obține cu niobat de litiu. Comparativ cu pieptenii de frecvență optici Kerr, pieptenii electro-optici oferă avantajul de a fi fără prag și mai stabili, deși necesită o intrare de microunde de mare putere.
③Prag de deteriorare optică mai mare
Pragul de deteriorare optică al LTOI este de două ori mai mare decât cel al LNOI, oferind un avantaj în aplicațiile neliniare (și potențial în viitoarele aplicații de absorbție perfectă coerentă (CPO)). Este puțin probabil ca nivelurile actuale de putere ale modulelor optice să deterioreze niobatul de litiu.
④Efect Raman scăzut
Acest lucru se aplică și aplicațiilor neliniare. Niobatul de litiu are un efect Raman puternic, care în aplicațiile Kerr cu piepteni de frecvență optică poate duce la generarea nedorită de lumină Raman și la creșterea concurenței, împiedicând pieptenii de frecvență optică cu niobat de litiu cu tăiere x să atingă starea solitonică. Cu LTOI, efectul Raman poate fi suprimat prin designul orientării cristalului, permițând LTOI cu tăiere x să realizeze generarea de piepteni de frecvență optică solitonică. Acest lucru permite integrarea monolitică a pieptenilor de frecvență optică solitonică cu modulatoare de mare viteză, o performanță imposibil de realizat cu LNOI.
◆ De ce nu a fost menționat mai devreme tantalatul de litiu în peliculă subțire (LTOI)?
Tantalatul de litiu are o temperatură Curie mai scăzută decât niobatul de litiu (610°C față de 1157°C). Înainte de dezvoltarea tehnologiei de heterointegrare (XOI), modulatorii de niobat de litiu erau fabricați folosind difuzia titanului, care necesită recoacere la peste 1000°C, ceea ce face ca LTOI să fie nepotrivit. Cu toate acestea, odată cu trecerea actuală către utilizarea substraturilor izolatoare și gravarea ghidurilor de undă pentru formarea modulatorilor, o temperatură Curie de 610°C este mai mult decât suficientă.
◆ Va înlocui tantalatul de litiu în peliculă subțire (LTOI) niobatul de litiu în peliculă subțire (TFLN)?
Pe baza cercetărilor actuale, LTOI oferă avantaje în ceea ce privește performanța pasivă, stabilitatea și costul producției la scară largă, fără dezavantaje evidente. Cu toate acestea, LTOI nu depășește niobatul de litiu în ceea ce privește performanța de modulație, iar problemele de stabilitate cu LNOI au soluții cunoscute. Pentru modulele DR de comunicație, există o cerere minimă de componente pasive (și nitrura de siliciu ar putea fi utilizată dacă este necesar). În plus, sunt necesare noi investiții pentru a restabili procesele de gravare la nivel de plachetă, tehnicile de heterointegrare și testarea fiabilității (dificultatea cu gravarea niobatului de litiu nu a fost ghidul de undă, ci obținerea unei gravări la nivel de plachetă cu randament ridicat). Prin urmare, pentru a concura cu poziția stabilită a niobatului de litiu, LTOI ar putea avea nevoie să descopere avantaje suplimentare. Din punct de vedere academic, însă, LTOI oferă un potențial semnificativ de cercetare pentru sisteme integrate pe cip, cum ar fi pieptenii electro-optici pe octave, PPLT, dispozitive de divizare a lungimii de undă soliton și AWG și modulatoare de matrice.
Data publicării: 08 noiembrie 2024