Dunnefilmlithiumtantalaat (LTOI): het volgende stermateriaal voor hogesnelheidsmodulatoren?

Dunne-film lithiumtantalaat (LTOI)-materiaal komt naar voren als een belangrijke nieuwe kracht op het gebied van geïntegreerde optica. Dit jaar zijn er verschillende werken op hoog niveau over LTOI-modulatoren gepubliceerd, met hoogwaardige LTOI-wafels geleverd door professor Xin Ou van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, en hoogwaardige golfgeleider-etsprocessen ontwikkeld door de groep van professor Kippenberg bij EPFL. , Zwitserland. Hun gezamenlijke inspanningen hebben indrukwekkende resultaten opgeleverd. Daarnaast hebben onderzoeksteams van de Zhejiang Universiteit onder leiding van professor Liu Liu en de Harvard Universiteit onder leiding van professor Loncar ook gerapporteerd over snelle en zeer stabiele LTOI-modulatoren.

Als nauw verwant van dunnefilmlithiumniobaat (LNOI) behoudt LTOI de hogesnelheidsmodulatie en de verliesarme eigenschappen van lithiumniobaat, terwijl het ook voordelen biedt zoals lage kosten, lage dubbele breking en verminderde fotorefractieve effecten. Hieronder vindt u een vergelijking van de belangrijkste kenmerken van de twee materialen.

微信图foto_20241106164015

◆ Overeenkomsten tussen lithiumtantalaat (LTOI) en lithiumniobaat (LNOI)
Brekingsindex:2,12 versus 2,21
Dit impliceert dat de afmetingen van de single-mode golfgeleider, de buigradius en de gebruikelijke afmetingen van passieve apparaten op basis van beide materialen zeer vergelijkbaar zijn, en dat hun vezelkoppelingsprestaties ook vergelijkbaar zijn. Met een goede golfgeleideretsing kunnen beide materialen een insertieverlies van ca<0,1 dB/cm. EPFL rapporteert een golfgeleiderverlies van 5,6 dB/m.

Elektro-optische coëfficiënt:30.5 uur/V versus 30.9 uur/V
De modulatie-efficiëntie is voor beide materialen vergelijkbaar, waarbij modulatie gebaseerd is op het Pockels-effect, waardoor een hoge bandbreedte mogelijk is. Momenteel zijn LTOI-modulatoren in staat om 400G per baan te bereiken, met een bandbreedte van meer dan 110 GHz.

微信图foto_20241106164942
微信图foto_20241106165200

Bandafstand:3,93 eV versus 3,78 eV
Beide materialen hebben een breed transparant venster, dat toepassingen ondersteunt van zichtbare tot infrarode golflengten, zonder absorptie in de communicatiebanden.

Niet-lineaire coëfficiënt van de tweede orde (d33):21 uur/V versus 27 uur/V
Indien gebruikt voor niet-lineaire toepassingen zoals tweede harmonische generatie (SHG), verschilfrequentiegeneratie (DFG) of somfrequentiegeneratie (SFG), zouden de conversie-efficiënties van de twee materialen behoorlijk vergelijkbaar moeten zijn.

◆ Kostenvoordeel van LTOI versus LNOI
Lagere voorbereidingskosten voor wafels
LNOI vereist He-ionenimplantatie voor laagscheiding, die een lage ionisatie-efficiëntie heeft. LTOI gebruikt daarentegen H-ionenimplantatie voor scheiding, vergelijkbaar met SOI, met een delaminatie-efficiëntie die meer dan 10 keer hoger is dan die van LNOI. Dit resulteert in een aanzienlijk prijsverschil voor 6-inch wafers: $300 versus $2000, een kostenbesparing van 85%.

微信图foto_20241106165545

Het wordt al veel gebruikt in de consumentenelektronicamarkt voor akoestische filters(750.000 eenheden per jaar, gebruikt door Samsung, Apple, Sony, enz.).

微信图foto_20241106165539

◆ Prestatievoordelen van LTOI versus LNOI
Minder materiaalfouten, zwakker fotorefractief effect, meer stabiliteit
Aanvankelijk vertoonden LNOI-modulatoren vaak bias-puntdrift, voornamelijk als gevolg van ladingsaccumulatie veroorzaakt door defecten aan de golfgeleiderinterface. Als deze apparaten niet worden behandeld, kan het een dag duren voordat ze stabiliseren. Er zijn echter verschillende methoden ontwikkeld om dit probleem aan te pakken, zoals het gebruik van metaaloxidebekleding, substraatpolarisatie en uitgloeien, waardoor dit probleem nu grotendeels beheersbaar is.
LTOI heeft daarentegen minder materiaalfouten, wat leidt tot aanzienlijk verminderde driftverschijnselen. Zelfs zonder extra verwerking blijft het werkingspunt relatief stabiel. Soortgelijke resultaten zijn gerapporteerd door EPFL, Harvard en Zhejiang University. Bij de vergelijking wordt echter vaak gebruik gemaakt van onbehandelde LNOI-modulatoren, wat misschien niet helemaal eerlijk is; bij verwerking zijn de prestaties van beide materialen waarschijnlijk vergelijkbaar. Het belangrijkste verschil ligt in het feit dat LTOI minder extra verwerkingsstappen vereist.

微信图foto_20241106165708

Lagere dubbele breking: 0,004 versus 0,07
De hoge dubbele breking van lithiumniobaat (LNOI) kan soms een uitdaging zijn, vooral omdat golfgeleiderbochten moduskoppeling en modushybridisatie kunnen veroorzaken. In dunne LNOI kan een bocht in de golfgeleider TE-licht gedeeltelijk omzetten in TM-licht, wat de fabricage van bepaalde passieve apparaten, zoals filters, bemoeilijkt.
Met LTOI elimineert de lagere dubbele breking dit probleem, waardoor het mogelijk gemakkelijker wordt om hoogwaardige passieve apparaten te ontwikkelen. EPFL heeft ook opmerkelijke resultaten gerapporteerd, waarbij gebruik wordt gemaakt van de lage dubbele breking van LTOI en de afwezigheid van mode-crossing om elektro-optische frequentiekamgeneratie met ultrabreed spectrum te bereiken met vlakke dispersiecontrole over een breed spectraal bereik. Dit resulteerde in een indrukwekkende kambandbreedte van 450 nm met meer dan 2000 kamlijnen, meerdere malen groter dan wat kan worden bereikt met lithiumniobaat. Vergeleken met de optische frequentiekammen van Kerr bieden elektro-optische kammen het voordeel dat ze drempelvrij en stabieler zijn, hoewel ze een krachtige microgolfingang vereisen.

微信图foto_20241106165804
微信图foto_20241106165823

Hogere drempel voor optische schade
De optische schadedrempel van LTOI is tweemaal die van LNOI, wat een voordeel biedt bij niet-lineaire toepassingen (en mogelijk toekomstige Coherent Perfect Absorption (CPO)-toepassingen). Het is onwaarschijnlijk dat de huidige energieniveaus van optische modules lithiumniobaat zullen beschadigen.
Laag Raman-effect
Dit geldt ook voor niet-lineaire toepassingen. Lithiumniobaat heeft een sterk Raman-effect, dat bij Kerr optische frequentiekamtoepassingen kan leiden tot ongewenste Raman-lichtopwekking en concurrentie kan winnen, waardoor wordt voorkomen dat x-cut lithiumniobaat optische frequentiekammen de solitontoestand bereiken. Met LTOI kan het Raman-effect worden onderdrukt door middel van een kristaloriëntatieontwerp, waardoor x-cut LTOI soliton optische frequentiekamgeneratie kan bereiken. Dit maakt de monolithische integratie mogelijk van soliton optische frequentiekammen met hogesnelheidsmodulatoren, een prestatie die niet haalbaar is met LNOI.
◆ Waarom werd dunnefilm-lithiumtantalaat (LTOI) niet eerder genoemd?
Lithiumtantalaat heeft een lagere Curietemperatuur dan lithiumniobaat (610°C vs. 1157°C). Vóór de ontwikkeling van hetero-integratietechnologie (XOI) werden lithiumniobaatmodulatoren vervaardigd met behulp van titaniumdiffusie, waarvoor uitgloeien bij meer dan 1000 ° C vereist is, waardoor LTOI ongeschikt wordt. Met de huidige verschuiving naar het gebruik van isolatorsubstraten en golfgeleideretsen voor modulatorvorming is een Curietemperatuur van 610°C echter meer dan voldoende.
◆ Zal dunne-film-lithiumtantalaat (LTOI) dunne-film-lithiumniobaat (TFLN) vervangen?
Op basis van huidig ​​onderzoek biedt LTOI voordelen op het gebied van passieve prestaties, stabiliteit en grootschalige productiekosten, zonder duidelijke nadelen. LTOI overtreft lithiumniobaat echter niet wat betreft modulatieprestaties, en stabiliteitsproblemen met LNOI hebben bekende oplossingen. Voor communicatie-DR-modules is er een minimale vraag naar passieve componenten (en indien nodig kan siliciumnitride worden gebruikt). Bovendien zijn nieuwe investeringen nodig om etsprocessen op waferniveau, hetero-integratietechnieken en betrouwbaarheidstests opnieuw in te voeren (de moeilijkheid bij het etsen met lithiumniobaat was niet de golfgeleider, maar het bereiken van etsen op waferniveau met een hoog rendement). Daarom moet LTOI, om te kunnen concurreren met de gevestigde positie van lithiumniobaat, mogelijk nog meer voordelen ontdekken. Academisch gezien biedt LTOI echter een aanzienlijk onderzoekspotentieel voor geïntegreerde on-chip-systemen, zoals octaafomspannende elektro-optische kammen, PPLT-, soliton- en AWG-golflengteverdelingsapparaten en array-modulatoren.


Posttijd: 08-nov-2024