Tantat de litiu cu peliculă subțire (LTOI): următorul material de stea pentru modulatoarele de mare viteză?

Tantatul de litiu cu peliculă subțire (LTOI) apare ca o nouă forță semnificativă în domeniul opticii integrate. Anul acesta, au fost publicate mai multe lucrări la nivel înalt despre modulatorii LTOI, cu plachete LTOI de înaltă calitate furnizate de profesorul Xin Ou de la Institutul de Microsistem 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 dat rezultate impresionante. În plus, echipele de cercetare de la Universitatea Zhejiang conduse de profesorul Liu Liu și de la Universitatea Harvard conduse de profesorul Loncar au raportat și despre modulatorii LTOI de mare viteză și stabilitate ridicată.

Ca rudă apropiată a niobatului de litiu cu peliculă subțire (LNOI), LTOI păstrează modulația de mare viteză și caracteristicile de pierdere redusă ale niobatului de litiu, oferind în același timp avantaje precum costul scăzut, birefringența scăzută și efectele fotorefractive reduse. O comparație a principalelor caracteristici ale celor două materiale este prezentată mai jos.

微信图片_20241106164015

◆ Asemănări între tantalat de litiu (LTOI) și niobat de litiu (LNOI)
Indicele de refracție:2.12 vs 2.21
Acest lucru implică faptul că dimensiunile ghidului de undă monomod, 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 obține o pierdere de inserție de<0,1 dB/cm. EPFL raportează o pierdere a ghidului de undă de 5,6 dB/m.

Coeficientul electro-optic:30,5 pm/V vs 30,9 pm/V
Eficiența modulației este comparabilă pentru ambele materiale, cu modularea bazată pe efectul Pockels, permițând o lățime de bandă mare. În prezent, modulatoarele LTOI sunt capabile să atingă performanțe de 400G pe bandă, cu o lățime de bandă care depășește 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV față de 3,78 eV
Ambele materiale au o fereastră largă transparentă, susținând aplicații de la lungimi de undă vizibile la infraroșu, fără absorbție în benzile de comunicare.

Coeficient neliniar de ordinul doi (d33):21 pm/V vs 27 pm/V
Dacă este utilizat pentru aplicații neliniare, cum ar fi generarea de a doua armonică (SHG), generarea de diferență de frecvență (DFG) sau generarea de frecvență sumară (SFG), eficiența de conversie a celor două materiale ar trebui să fie destul de asemănătoare.

◆ Cost Avantaj al LTOI vs LNOI
Cost mai mic de preparare a napolitanelor
LNOI necesită implantarea ionilor He pentru separarea stratului, care are o eficiență scăzută de ionizare. În schimb, LTOI utilizează implantarea ionilor H pentru separare, similar cu SOI, cu o eficiență de delaminare de peste 10 ori mai mare decât LNOI. Acest lucru are ca rezultat o diferență semnificativă de preț pentru napolitanele de 6 inchi: 300 USD față de 2000 USD, o reducere a costurilor cu 85%.

微信图片_20241106165545

Este deja utilizat pe scară largă pe piața de electronice de larg consum pentru filtre acustice(750.000 de unități anual, utilizate de Samsung, Apple, Sony etc.).

微信图片_20241106165539

◆ Avantajele de performanță ale LTOI vs LNOI
Mai puține defecte de material, efect fotorefractiv mai slab, mai multă stabilitate
Inițial, modulatoarele LNOI au prezentat adesea o deplasare a punctelor de polarizare, în primul rând din cauza acumulării de sarcină cauzată de defecte la interfața ghidului de undă. Dacă nu sunt tratate, aceste dispozitive ar putea dura până la o zi pentru a se stabiliza. Cu toate acestea, au fost dezvoltate diferite metode pentru a aborda această problemă, cum ar fi utilizarea placajului cu oxid de metal, polarizarea substratului și recoacere, făcând această problemă în mare măsură gestionabilă acum.
În schimb, LTOI are mai puține defecte de material, ceea ce duce la fenomene de deriva semnificativ reduse. 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 folosește adesea modulatoare LNOI netratate, care ar putea să nu fie complet corecte; cu procesare, performanța ambelor materiale este probabil similară. Principala diferență constă în faptul că LTOI necesită mai puțini pași suplimentari de procesare.

微信图片_20241106165708

Birefringență inferioară: 0,004 vs 0,07
Birefringența ridicată a niobatului de litiu (LNOI) poate fi uneori provocatoare, mai ales că îndoirile ghidului de undă pot cauza cuplarea modului și hibridizarea modului. În LNOI subțire, o îndoire 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 scăzută elimină această problemă, potențial ușurând dezvoltarea dispozitivelor pasive de înaltă performanță. EPFL a raportat, de asemenea, rezultate notabile, valorificând birefringența scăzută a LTOI și absența încrucișării modurilor pentru a obține generarea de pieptene de frecvență electro-optică cu spectru ultra larg, cu control al dispersiei plat într-un interval spectral larg. Acest lucru a dus la o lățime de bandă impresionantă de 450 nm cu peste 2000 de linii de pieptene, de câteva ori mai mare decât ceea ce se poate obține cu niobat de litiu. În comparație cu pieptenii de frecvență optică Kerr, pieptenii electro-optici oferă avantajul de a fi fără prag și mai stabil, deși necesită o intrare de mare putere a microundelor.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Prag de daune optice mai mare
Pragul de deteriorare optică al LTOI este de două ori mai mare decât al LNOI, oferind un avantaj în aplicațiile neliniare (și potențial viitoare aplicații de absorbție perfectă coerentă (CPO)). Nivelurile actuale de putere ale modulului optic este puțin probabil să deterioreze niobatul de litiu.
Efect Raman scăzut
Acest lucru se referă și la aplicațiile neliniare. Niobatul de litiu are un efect Raman puternic, care în aplicațiile Kerr cu pieptene de frecvență optică poate duce la generarea nedorită de lumină Raman și poate câștiga competiție, împiedicând pieptenii de frecvență optică de niobat de litiu tăiați în x să atingă starea solitonului. Cu LTOI, efectul Raman poate fi suprimat prin proiectarea orientării cristalului, permițând LTOI tăiat în x să realizeze generarea de pieptene de frecvență optică soliton. Acest lucru permite integrarea monolitică a pieptenilor de frecvență optică soliton cu modulatoare de mare viteză, o performanță care nu poate fi realizată cu LNOI.
◆ De ce nu a fost menționat mai devreme tantalatul de litiu cu peliculă subțire (LTOI)?
Tantatul de litiu are o temperatură Curie mai mică 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 difuzie de titan, care necesită recoacere la peste 1000 ° C, făcând LTOI inadecvat. Cu toate acestea, odată cu trecerea de astăzi către utilizarea substraturilor izolatoare și gravarea ghidului de undă pentru formarea modulatorului, o temperatură Curie de 610°C este mai mult decât suficientă.
◆ Tantalatul de litiu cu peliculă subțire (LTOI) va înlocui niobatul de litiu cu peliculă subțire (TFLN)?
Pe baza cercetărilor curente, LTOI oferă avantaje în ceea ce privește performanța pasivă, stabilitatea și costul de producție la scară largă, fără dezavantaje aparente. Cu toate acestea, LTOI nu depășește niobatul de litiu în performanța de modulare, iar problemele de stabilitate cu LNOI au soluții cunoscute. Pentru modulele DR de comunicație, există o cerere minimă pentru 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, tehnici de heterointegrare și testare de fiabilitate (dificultatea cu gravarea cu niobat de litiu nu a fost ghidul de undă, ci realizarea gravării la nivel de plachetă cu randament ridicat). Prin urmare, pentru a concura cu poziția stabilită a niobatului de litiu, LTOI poate avea nevoie să descopere alte avantaje. Din punct de vedere academic, totuși, LTOI oferă un potențial semnificativ de cercetare pentru sistemele integrate pe cip, cum ar fi piepteni electro-optici care se întind în octave, dispozitive PPLT, soliton și AWG de diviziune a lungimii de undă și modulatoare de matrice.


Ora postării: 08-nov-2024