Тънкослойният литиев танталат (LTOI) материал се очертава като значителна нова сила в областта на интегрираната оптика. Тази година бяха публикувани няколко висококачествени трудове върху LTOI модулатори, като висококачествени LTOI пластини са предоставени от професор Син Оу от Шанхайския институт за микросистемни и информационни технологии, а висококачествени процеси на ецване на вълноводи са разработени от групата на професор Кипенберг в EPFL, Швейцария. Съвместните им усилия показаха впечатляващи резултати. Освен това, изследователски екипи от университета Джъдзян, ръководени от професор Лиу Лиу, и от Харвардския университет, ръководени от професор Лонкар, също докладваха за високоскоростни и стабилни LTOI модулатори.
Като близък роднина на тънкослойния литиев ниобат (LNOI), LTOI запазва характеристиките на високоскоростна модулация и ниски загуби на литиевия ниобат, като същевременно предлага предимства като ниска цена, ниско двулъчепречупване и намалени фоторефрактивни ефекти. По-долу е представено сравнение на основните характеристики на двата материала.
◆ Прилики между литиев танталат (LTOI) и литиев ниобат (LNOI)
①Индекс на пречупване:2.12 срещу 2.21
Това означава, че размерите на едномодовите вълноводи, радиусът на огъване и размерите на обичайните пасивни устройства, базирани на двата материала, са много сходни, а техните характеристики на свързване на влакната също са сравними. С добро ецване на вълноводите, и двата материала могат да постигнат загуба на вмъкване от<0,1 dB/cm. EPFL отчита загуба във вълновода от 5,6 dB/m.
2Електрооптичен коефициент:30,5 ч./В срещу 30,9 ч./В
Ефективността на модулацията е сравнима и за двата материала, като модулацията е базирана на ефекта на Покелс, което позволява висока честотна лента. В момента LTOI модулаторите са способни да постигнат производителност от 400G на лента, с честотна лента над 110 GHz.
③Забранена зона:3,93 eV срещу 3,78 eV
И двата материала имат широк прозрачен прозорец, поддържащ приложения от видими до инфрачервени дължини на вълните, без абсорбция в комуникационните ленти.
4Нелинеен коефициент от втори ред (d33):21:00 ч./V срещу 27:00 ч./V
Ако се използват за нелинейни приложения като генериране на втора хармоника (SHG), генериране на разлика в честотата (DFG) или генериране на сумарни честоти (SFG), ефективността на преобразуване на двата материала би трябвало да е доста сходна.
◆ Ценово предимство на LTOI спрямо LNOI
①По-ниски разходи за приготвяне на вафли
LNOI изисква имплантиране на He йони за разделяне на слоевете, което има ниска ефективност на йонизация. За разлика от това, LTOI използва имплантиране на H йони за разделяне, подобно на SOI, с ефективност на деламиниране над 10 пъти по-висока от LNOI. Това води до значителна разлика в цената на 6-инчовите пластини: $300 срещу $2000, което е намаление на разходите с 85%.
2Вече се използва широко на пазара на потребителска електроника за акустични филтри.(750 000 броя годишно, използвани от Samsung, Apple, Sony и др.).
◆ Предимства на производителността при LTOI спрямо LNOI
①По-малко дефекти на материала, по-слаб фоторефрактивен ефект, повече стабилност
Първоначално LNOI модулаторите често показваха отклонение на точката на отклонение, главно поради натрупване на заряд, причинено от дефекти на вълноводна граница. Ако не се вземат мерки, стабилизирането на тези устройства можеше да отнеме до един ден. Разработени обаче са различни методи за справяне с този проблем, като например използване на метално-оксидно покритие, поляризация на субстрата и отгряване, което прави този проблем до голяма степен управляем сега.
За разлика от това, LTOI има по-малко дефекти в материала, което води до значително намалени явления на дрейф. Дори без допълнителна обработка, работната му точка остава относително стабилна. Подобни резултати са докладвани от EPFL, Харвард и университета Zhejiang. Сравнението обаче често използва необработени LNOI модулатори, което може да не е напълно справедливо; при обработка производителността на двата материала вероятно е сходна. Основната разлика се състои в това, че LTOI изисква по-малко допълнителни стъпки за обработка.
2По-ниско двулъчепречупване: 0,004 срещу 0,07
Високото двойнопречупване на литиевия ниобат (LNOI) може понякога да бъде предизвикателство, особено тъй като огъванията на вълновода могат да причинят свързване на модове и хибридизация на модове. При тънкия LNOI, огъването във вълновода може частично да преобразува TE светлината в TM светлина, което усложнява производството на някои пасивни устройства, като например филтри.
При LTOI, по-ниското двулъчепречупване елиминира този проблем, което потенциално улеснява разработването на високопроизводителни пасивни устройства. EPFL също така съобщава за забележителни резултати, използвайки ниското двулъчепречупване на LTOI и липсата на пресичане на модовете, за да постигне генериране на електрооптичен честотен гребен с ултраширок спектър и плосък контрол на дисперсията в широк спектрален диапазон. Това доведе до впечатляваща честотна лента на гребена от 450 nm с над 2000 гребенни линии, няколко пъти по-голяма от това, което може да се постигне с литиев ниобат. В сравнение с оптичните честотни гребени на Kerr, електрооптичните гребени предлагат предимството да са без прагове и по-стабилни, въпреки че изискват високомощностен микровълнов вход.
③По-висок праг на оптично увреждане
Прагът на оптично увреждане при LTOI е два пъти по-висок от този при LNOI, което предлага предимство в нелинейни приложения (и потенциално бъдещи приложения с кохерентно перфектно поглъщане (CPO)). Малко вероятно е настоящите нива на мощност на оптичните модули да повредят литиевия ниобат.
4Нисък Раманов ефект
Това се отнася и за нелинейните приложения. Литиевият ниобат има силен Раманов ефект, който в приложенията на Kerr оптичен честотен гребен може да доведе до нежелано генериране на Раманова светлина и конкуренция в усилването, предотвратявайки достигането на солитонно състояние на оптичните честотни гребени на литиево-ниобатните структури с x-cut. С LTOI, Раманов ефект може да бъде потиснат чрез проектиране с кристална ориентация, което позволява на x-cut LTOI да постигне генериране на солитонен оптичен честотен гребен. Това позволява монолитна интеграция на солитонни оптични честотни гребени с високоскоростни модулатори, подвиг, който не е постижим с LNOI.
◆ Защо не беше споменат по-рано тънкослойният литиев танталат (LTOI)?
Литиевият танталат има по-ниска температура на Кюри от литиевия ниобат (610°C спрямо 1157°C). Преди разработването на технологията за хетероинтеграция (XOI), модулаторите от литиев ниобат са били произвеждани с помощта на титанова дифузия, която изисква отгряване при над 1000°C, което прави LTOI неподходяща. Въпреки това, с днешния преход към използване на изолационни подложки и ецване на вълноводи за формиране на модулатора, температура на Кюри от 610°C е повече от достатъчна.
◆ Ще замени ли тънкослойният литиев танталат (LTOI) тънкослойния литиев ниобат (TFLN)?
Въз основа на настоящите изследвания, LTOI предлага предимства по отношение на пасивната производителност, стабилността и разходите за мащабно производство, без видими недостатъци. LTOI обаче не превъзхожда литиевия ниобат по отношение на модулационната производителност, а проблемите със стабилността при LNOI имат известни решения. За комуникационните DR модули има минимално търсене на пасивни компоненти (и силициев нитрид може да се използва, ако е необходимо). Освен това са необходими нови инвестиции за възстановяване на процесите на ецване на ниво пластина, техниките за хетероинтеграция и тестовете за надеждност (трудността при ецването с литиев ниобат не е във вълновода, а в постигането на високоефективно ецване на ниво пластина). Следователно, за да се конкурира с установената позиция на литиевия ниобат, LTOI може да се наложи да открие допълнителни предимства. Академично обаче LTOI предлага значителен изследователски потенциал за интегрирани системи на чип, като например електрооптични гребени с октавно обхващане, PPLT, солитони и AWG устройства за разделяне на дължината на вълната и матрични модулатори.
Време на публикуване: 08 ноември 2024 г.