Материалът тънкослоен литиев танталат (LTOI) се очертава като значителна нова сила в областта на интегрираната оптика. Тази година бяха публикувани няколко работи на високо ниво върху LTOI модулатори, с висококачествени пластини LTOI, предоставени от професор Xin Ou от Шанхайския институт по микросистемни и информационни технологии, и висококачествени вълноводни ецващи процеси, разработени от групата на професор Kippenberg в EPFL , Швейцария. Техните съвместни усилия показаха впечатляващи резултати. Освен това изследователски екипи от университета Zhejiang, ръководени от професор Liu Liu и Харвардския университет, ръководени от професор Loncar, също докладваха за високоскоростни и стабилни LTOI модулатори.
Като близък роднина на тънкослойния литиев ниобат (LNOI), LTOI запазва високоскоростната модулация и характеристиките на ниски загуби на литиевия ниобат, като същевременно предлага предимства като ниска цена, ниско двойно пречупване 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 едномодовия вълновод, радиусът на огъване и общите размери на пасивните устройства, базирани на двата материала, са много сходни и тяхната производителност на свързване на влакна също е сравнима. С добро вълноводно ецване и двата материала могат да постигнат загуба на вмъкване от<0,1 dB/cm. EPFL отчита загуба на вълновод от 5,6 dB/m.
②Електрооптичен коефициент:30,5 pm/V срещу 30,9 pm/V
Ефективността на модулацията е сравнима и за двата материала, с модулация, базирана на ефекта на Покелс, което позволява висока честотна лента. Понастоящем LTOI модулаторите са в състояние да постигнат производителност от 400G на лента, с честотна лента над 110 GHz.
③Bandgap:3,93 eV срещу 3,78 eV
И двата материала имат широк прозрачен прозорец, поддържащ приложения от видими до инфрачервени дължини на вълните, без поглъщане в комуникационните ленти.
④Нелинеен коефициент от втори ред (d33):21 pm/V срещу 27 pm/V
Ако се използва за нелинейни приложения като генериране на втори хармоник (SHG), генериране на разлика в честотата (DFG) или генериране на сумарна честота (SFG), ефективността на преобразуване на двата материала трябва да бъде доста сходна.
◆ Разходно 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 разслояване над 10 пъти по-висока от LNOI. Това води до значителна разлика в цените за 6-инчови вафли: $300 срещу $2000, 85% намаление на разходите.
②Вече се използва широко на пазара на потребителска електроника за акустични филтри(750 000 единици годишно, използвани от Samsung, Apple, Sony и др.).
◆ Предимства в производителността на LTOI спрямо LNOI
①По-малко дефекти на материала, по-слаб фоторефрактивен ефект, повече стабилност
Първоначално LNOI модулаторите често показват отклонение на точката на отклонение, главно поради натрупване на заряд, причинено от дефекти на интерфейса на вълновода. Ако не се лекуват, стабилизирането на тези устройства може да отнеме до един ден. Въпреки това бяха разработени различни методи за справяне с този проблем, като например използване на облицовка от метален оксид, поляризация на субстрата и отгряване, което прави този проблем до голяма степен управляем сега.
За разлика от това, LTOI има по-малко материални дефекти, което води до значително намалени явления на отклонение. Дори без допълнителна обработка работната му точка остава относително стабилна. Подобни резултати са докладвани от EPFL, Harvard и Zhejiang University. Сравнението обаче често използва нетретирани LNOI модулатори, което може да не е напълно справедливо; с обработка, ефективността на двата материала вероятно е сходна. Основната разлика се състои в това, че LTOI изисква по-малко допълнителни стъпки за обработка.
②По-ниско двойно пречупване: 0,004 срещу 0,07
Високото двойно пречупване на литиевия ниобат (LNOI) понякога може да бъде предизвикателство, особено тъй като завоите на вълновода могат да причинят свързване на мода и хибридизация на мода. При тънък LNOI, огъване във вълновода може частично да преобразува TE светлина в TM светлина, което усложнява производството на определени пасивни устройства, като филтри.
С LTOI, по-ниското двойно пречупване елиминира този проблем, като потенциално улеснява разработването на пасивни устройства с висока производителност. EPFL също така отчете забележителни резултати, използвайки ниското двойно пречупване на LTOI и отсъствието на пресичане на режими, за да постигне ултраширокоспектърно електрооптично генериране на честотен гребен с плосък контрол на дисперсията в широк спектрален диапазон. Това доведе до впечатляващите 450 nm широчина на честотната лента на гребена с над 2000 гребени, няколко пъти по-големи 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 са по-стабилни, въпреки че изискват високомощен микровълнов вход.
③По-висок праг на оптично увреждане
Прагът на оптичното увреждане на LTOI е два пъти по-голям от този на LNOI, което предлага предимство в нелинейни приложения (и потенциално бъдещи приложения за кохерентно перфектно поглъщане (CPO)). Настоящите нива на мощност на оптичния модул е малко вероятно да повредят литиевия ниобат.
④Нисък Раманов ефект
Това се отнася и за нелинейни приложения. Литиевият ниобат има силен Raman ефект, който в приложенията на Kerr оптични честотни гребени може да доведе до нежелано генериране на Raman светлина и да спечели конкуренция, предотвратявайки x-cut литиево-ниобатните оптични честотни гребени от достигане на солитонно състояние. С LTOI ефектът на Raman може да бъде потиснат чрез дизайн на ориентация на кристали, което позволява x-cut LTOI да постигне генериране на солитонен оптичен честотен гребен. Това позволява монолитна интеграция на солитонни оптични честотни гребени с високоскоростни модулатори, постижение, което не е постижимо с LNOI.
◆ Защо тънкослойният литиев танталат (LTOI) не беше споменат по-рано?
Литиевият танталат има по-ниска температура на Кюри от литиевия ниобат (610°C срещу 1157°C). Преди разработването на технологията за хетероинтеграция (XOI), модулаторите на литиев ниобат се произвеждат с помощта на дифузия на титан, което изисква отгряване при над 1000°C, което прави LTOI неподходящ. Въпреки това, с днешното преминаване към използване на изолационни субстрати и вълноводно ецване за формиране на модулатор, температура на Кюри от 610°C е повече от достатъчна.
◆ Ще замени ли тънкослойният литиев танталат (LTOI) тънкослойния литиев ниобат (TFLN)?
Въз основа на настоящи изследвания, LTOI предлага предимства в пасивната производителност, стабилността и разходите за мащабно производство, без очевидни недостатъци. Въпреки това, LTOI не превъзхожда литиевия ниобат по модулационни характеристики и проблемите със стабилността с LNOI имат известни решения. За комуникационните DR модули има минимално търсене на пасивни компоненти (и може да се използва силициев нитрид, ако е необходимо). Освен това са необходими нови инвестиции за възстановяване на процесите на ецване на ниво пластина, хетероинтеграционни техники и тестване на надеждността (трудността с ецването с литиев ниобат не беше вълноводът, а постигането на ецване на ниво пластина с висок добив). Следователно, за да се конкурира с установената позиция на литиев ниобат, LTOI може да се наложи да разкрие допълнителни предимства. Академично, обаче, LTOI предлага значителен изследователски потенциал за интегрирани системи на чип, като обхващащи октави електрооптични гребени, PPLT, солитони и AWG устройства за разделяне на дължината на вълната и масивни модулатори.
Време на публикуване: 8 ноември 2024 г