Dunnefilmlithiumtantalaat (LTOI)-materiaal ontwikkelt zich tot een belangrijke nieuwe kracht in het veld van geïntegreerde optica. Dit jaar zijn er verschillende hoogwaardige publicaties over LTOI-modulatoren gepubliceerd, met hoogwaardige LTOI-wafers van professor Xin Ou van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, en hoogwaardige golfgeleider-etprocessen ontwikkeld door de groep van professor Kippenberg aan de EPFL in Zwitserland. Hun gezamenlijke inspanningen hebben indrukwekkende resultaten opgeleverd. Daarnaast hebben onderzoeksteams van de Universiteit van Zhejiang onder leiding van professor Liu Liu en de Universiteit van Harvard onder leiding van professor Loncar ook gerapporteerd over snelle en stabiele LTOI-modulatoren.
Als nauwe verwant van dunnefilmlithiumniobaat (LNOI) behoudt LTOI de hogesnelheidsmodulatie en lage verlieseigenschappen van lithiumniobaat, maar biedt het ook voordelen zoals lage kosten, lage dubbelbreking en verminderde fotorefractieve effecten. Hieronder vindt u een vergelijking van de belangrijkste kenmerken van de twee materialen.
◆ Overeenkomsten tussen lithiumtantalaat (LTOI) en lithiumniobaat (LNOI)
①Brekingsindex:2.12 versus 2.21
Dit impliceert dat de afmetingen van de single-mode golfgeleider, de buigradius en de gangbare passieve apparaatgroottes op basis van beide materialen zeer vergelijkbaar zijn, en dat hun vezelkoppelingsprestaties ook vergelijkbaar zijn. Met goede golfgeleideretsing kunnen beide materialen een insertieverlies van 100% bereiken.<0,1 dB/cm. EPFL rapporteert een golfgeleiderverlies van 5,6 dB/m.
②Elektro-optische coëfficiënt:30.5 uur/V versus 30.9 uur/V
De modulatie-efficiëntie is voor beide materialen vergelijkbaar, met modulatie gebaseerd op het Pockels-effect, wat een hoge bandbreedte mogelijk maakt. Momenteel kunnen LTOI-modulatoren een prestatie van 400G per lane bereiken, met een bandbreedte van meer dan 110 GHz.
③Bandgap:3,93 eV versus 3,78 eV
Beide materialen hebben een breed transparant venster en zijn geschikt voor toepassingen in het zichtbare golflengtegebied tot infrarode golflengten, zonder absorptie in de communicatiebanden.
④Niet-lineaire coëfficiënt van de tweede orde (d33):21 uur/V vs 27 uur/V
Bij niet-lineaire toepassingen, zoals tweede-harmonische generatie (SHG), verschilfrequentiegeneratie (DFG) of somfrequentiegeneratie (SFG), zouden de conversie-efficiënties van de twee materialen vrijwel gelijk moeten zijn.
◆ Kostenvoordeel van LTOI versus LNOI
①Lagere wafervoorbereidingskosten
LNOI vereist implantatie van He-ionen voor laagscheiding, wat een lage ionisatie-efficiëntie heeft. LTOI daarentegen gebruikt implantatie van H-ionen 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%.
②Het wordt al veel gebruikt op de consumentenelektronicamarkt voor akoestische filters(750.000 eenheden per jaar, gebruikt door Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Prestatievoordelen van LTOI versus LNOI
①Minder materiaaldefecten, zwakker fotorefractief effect, meer stabiliteit
Aanvankelijk vertoonden LNOI-modulatoren vaak bias point drift, voornamelijk als gevolg van ladingsaccumulatie veroorzaakt door defecten aan de golfgeleiderinterface. Zonder behandeling kon het tot een dag duren voordat deze apparaten stabiel waren. Er zijn echter verschillende methoden ontwikkeld om dit probleem aan te pakken, zoals het gebruik van metaaloxidebekleding, substraatpolarisatie en gloeien, waardoor dit probleem nu grotendeels beheersbaar is.
LTOI daarentegen heeft minder materiaaldefecten, wat leidt tot aanzienlijk minder driftverschijnselen. Zelfs zonder aanvullende bewerking blijft het werkpunt relatief stabiel. Vergelijkbare resultaten zijn gerapporteerd door EPFL, Harvard en de Universiteit van Zhejiang. De vergelijking maakt echter vaak gebruik van onbehandelde LNOI-modulatoren, wat mogelijk niet helemaal eerlijk is; met bewerking zijn de prestaties van beide materialen waarschijnlijk vergelijkbaar. Het belangrijkste verschil zit hem in het feit dat LTOI minder aanvullende bewerkingsstappen vereist.
②Lagere dubbelbreking: 0,004 versus 0,07
De hoge dubbelbreking van lithiumniobaat (LNOI) kan soms een uitdaging vormen, vooral omdat krommingen in de golfgeleider moduskoppeling en modushybridisatie kunnen veroorzaken. Bij dunne LNOI kan een buiging in de golfgeleider TE-licht gedeeltelijk omzetten in TM-licht, wat de fabricage van bepaalde passieve componenten, zoals filters, bemoeilijkt.
Met LTOI elimineert de lagere dubbelbreking dit probleem, waardoor de ontwikkeling van hoogwaardige passieve apparaten mogelijk wordt vereenvoudigd. EPFL heeft ook opmerkelijke resultaten gerapporteerd, waarbij de lage dubbelbreking en de afwezigheid van mode-crossing van LTOI werden benut om ultrabreedspectrum elektro-optische frequentiekamgeneratie te bereiken met een vlakke dispersiecontrole over een breed spectraalbereik. Dit resulteerde in een indrukwekkende kambandbreedte van 450 nm met meer dan 2000 kamlijnen, vele malen groter dan wat met lithiumniobaat kan worden bereikt. Vergeleken met optische Kerr-frequentiekammen bieden elektro-optische kammen het voordeel dat ze drempelvrij en stabieler zijn, hoewel ze een hoog microgolfvermogen vereisen.
③Hogere optische schadedrempel
De optische schadegrens van LTOI is tweemaal zo hoog als die van LNOI, wat een voordeel biedt in niet-lineaire toepassingen (en mogelijk toekomstige Coherent Perfect Absorption (CPO)). De huidige vermogensniveaus van optische modules zullen lithiumniobaat waarschijnlijk niet beschadigen.
④Laag Raman-effect
Dit geldt ook voor niet-lineaire toepassingen. Lithiumniobaat heeft een sterk Raman-effect, wat in Kerr optische frequentiekammen kan leiden tot ongewenste Raman-lichtopwekking en winstconcurrentie, waardoor x-cut lithiumniobaat optische frequentiekammen de solitontoestand niet kunnen bereiken. Met LTOI kan het Raman-effect worden onderdrukt door middel van kristaloriëntatie, waardoor x-cut LTOI soliton optische frequentiekammen kan genereren. Dit maakt de monolithische integratie van soliton optische frequentiekammen met snelle modulatoren mogelijk, een prestatie die met LNOI niet haalbaar is.
◆ Waarom werd dunne-film-lithiumtantalaat (LTOI) niet eerder genoemd?
Lithiumtantalaat heeft een lagere Curietemperatuur dan lithiumniobaat (610 °C versus 1157 °C). Vóór de ontwikkeling van heterointegratietechnologie (XOI) werden lithiumniobaatmodulatoren vervaardigd met behulp van titaniumdiffusie, waarvoor gloeien boven 1000 °C vereist is, waardoor LTOI ongeschikt is. Met de huidige verschuiving naar het gebruik van isolatorsubstraten en golfgeleideretsen voor de vorming van modulatoren, is een Curietemperatuur van 610 °C echter meer dan voldoende.
◆ Zal dunne-film lithiumtantalaat (LTOI) dunne-film lithium niobaat (TFLN) vervangen?
Op basis van huidig onderzoek biedt LTOI voordelen op het gebied van passieve prestaties, stabiliteit en kosten voor grootschalige productie, zonder duidelijke nadelen. LTOI overtreft lithiumniobaat echter niet in modulatieprestaties, en stabiliteitsproblemen met LNOI bestaan bekende oplossingen. Voor communicatie-DR-modules is de vraag naar passieve componenten minimaal (en indien nodig zou siliciumnitride kunnen worden gebruikt). Bovendien zijn nieuwe investeringen nodig om etsprocessen op waferniveau, hetero-integratietechnieken en betrouwbaarheidstesten te herstellen (de moeilijkheid bij het etsen van lithiumniobaat was niet de golfgeleider, maar het bereiken van een etsing op waferniveau met een hoge opbrengst). Om te concurreren met de gevestigde positie van lithiumniobaat, moet LTOI daarom mogelijk verdere voordelen ontdekken. Academisch gezien biedt LTOI echter een aanzienlijk onderzoekspotentieel voor geïntegreerde on-chip systemen, zoals octaaf-overspannende elektro-optische kammen, PPLT, soliton- en AWG-golflengteverdelingsapparaten en arraymodulatoren.
Plaatsingstijd: 8 november 2024