Dunnefilm lithiumtantalaat (LTOI) is een materiaal dat zich ontwikkelt tot een belangrijke nieuwe kracht in de geïntegreerde optica. Dit jaar zijn er diverse hoogwaardige publicaties verschenen over LTOI-modulatoren, waarbij hoogwaardige LTOI-wafers werden geleverd door professor Xin Ou van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, en hoogwaardige etsprocessen voor golfgeleiders werden ontwikkeld door de groep van professor Kippenberg aan de EPFL in Zwitserland. Hun gezamenlijke inspanningen hebben indrukwekkende resultaten opgeleverd. Daarnaast hebben onderzoeksteams van de Zhejiang University onder leiding van professor Liu Liu en de Harvard University onder leiding van professor Loncar ook gerapporteerd over snelle en zeer stabiele LTOI-modulatoren.
Als nauwe verwant van dunne-film lithiumniobaat (LNOI) behoudt LTOI de snelle modulatie- en lage-verlieseigenschappen van lithiumniobaat, terwijl het ook voordelen biedt zoals lage kosten, lage dubbele breking en verminderde fotorefractieve effecten. Een vergelijking van de belangrijkste eigenschappen van de twee materialen wordt hieronder gepresenteerd.
◆ Overeenkomsten tussen lithiumtantalaat (LTOI) en lithiumniobaat (LNOI)
①Brekingsindex:2.12 versus 2.21
Dit houdt in dat de afmetingen van de single-mode golfgeleider, de buigradius en de gangbare afmetingen van passieve componenten op basis van beide materialen zeer vergelijkbaar zijn, en dat hun vezelkoppelingsprestaties ook vergelijkbaar zijn. Met een goede etsing van de golfgeleider kunnen beide materialen een invoegverlies van<0,1 dB/cm. EPFL meldt een golfgeleiderverlies van 5,6 dB/m.
②Elektro-optische coëfficiënt:30,5 pm/V versus 30,9 pm/V
De modulatie-efficiëntie is vergelijkbaar voor beide materialen, waarbij modulatie gebaseerd is op het Pockels-effect, wat een hoge bandbreedte mogelijk maakt. Momenteel kunnen LTOI-modulatoren een prestatie van 400 Gbps 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, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen van zichtbaar licht tot infraroodgolflengten, zonder absorptie in de communicatiebanden.
④Niet-lineaire coëfficiënt van de tweede orde (d33):21 uur/V vs 27 uur/V
Indien ze worden gebruikt voor 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 ten opzichte van LNOI
①Lagere kosten voor wafervoorbereiding
LNOI vereist He-ionenimplantatie voor laagscheiding, wat een lage ionisatie-efficiëntie heeft. LTOI daarentegen gebruikt 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%.
②Het wordt al veelvuldig gebruikt in de consumentenelektronicamarkt voor akoestische filters.(750.000 exemplaren per jaar, gebruikt door Samsung, Apple, Sony, enz.).
◆ Prestatievoordelen van LTOI versus LNOI
①Minder materiaaldefecten, zwakker fotorefractief effect, meer stabiliteit
Aanvankelijk vertoonden LNOI-modulatoren vaak een verschuiving van het bias-punt, voornamelijk als gevolg van ladingsaccumulatie veroorzaakt door defecten aan de golfgeleiderinterface. Zonder behandeling kon het tot een dag duren voordat deze apparaten stabiliseerden. 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.
Daarentegen heeft LTOI minder materiaaldefecten, wat leidt tot aanzienlijk minder driftverschijnselen. Zelfs zonder verdere bewerking blijft het werkingspunt relatief stabiel. Vergelijkbare resultaten zijn gerapporteerd door EPFL, Harvard en de Zhejiang Universiteit. De vergelijking maakt echter vaak gebruik van onbehandelde LNOI-modulatoren, wat mogelijk niet helemaal eerlijk is; met bewerking is de prestatie van beide materialen waarschijnlijk vergelijkbaar. Het belangrijkste verschil is dat LTOI minder extra bewerkingsstappen vereist.
②Lagere dubbele breking: 0,004 versus 0,07
De hoge dubbele breking van lithiumniobaat (LNOI) kan soms een uitdaging vormen, vooral omdat bochten in de golfgeleider 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 componenten, zoals filters, bemoeilijkt.
Met LTOI wordt dit probleem door de lagere birefringentie geëlimineerd, waardoor het potentieel gemakkelijker wordt om hoogwaardige passieve componenten te ontwikkelen. EPFL heeft ook opmerkelijke resultaten geboekt door de lage birefringentie en afwezigheid van moduskruising van LTOI te benutten om elektro-optische frequentiekammen met een ultrabreed spectrum en vlakke dispersiecontrole over een breed spectraal bereik te genereren. Dit resulteerde in een indrukwekkende kambandbreedte van 450 nm met meer dan 2000 kamlijnen, vele malen groter dan wat met lithiumniobaat kan worden bereikt. In vergelijking met optische Kerr-frequentiekammen bieden elektro-optische kammen het voordeel dat ze drempelvrij en stabieler zijn, hoewel ze een hoog vermogen van de microgolfinput vereisen.
③Hogere drempelwaarde voor optische schade
De optische schadedrempel van LTOI is tweemaal zo hoog als die van LNOI, wat een voordeel biedt bij niet-lineaire toepassingen (en mogelijk toekomstige Coherent Perfect Absorption (CPO)-toepassingen). 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 frequentiekamtoepassingen kan leiden tot ongewenste Raman-lichtgeneratie en versterkingscompetitie, waardoor x-gesneden lithiumniobaat-optische frequentiekammen de solitontoestand niet kunnen bereiken. Met LTOI kan het Raman-effect worden onderdrukt door het kristaloriëntatieontwerp, waardoor x-gesneden LTOI de soliton-optische frequentiekamgeneratie mogelijk maakt. Dit maakt de monolithische integratie van soliton-optische frequentiekammen met snelle modulatoren mogelijk, iets wat met LNOI niet haalbaar is.
◆ Waarom werd dunnefilm-lithiumtantalaat (LTOI) niet eerder genoemd?
Lithiumtantalaat heeft een lagere Curie-temperatuur dan lithiumniobaat (610 °C versus 1157 °C). Vóór de ontwikkeling van hetero-integratietechnologie (XOI) werden lithiumniobaatmodulatoren vervaardigd met behulp van titaniumdiffusie, wat gloeien bij temperaturen boven de 1000 °C vereist, waardoor LTOI ongeschikt was. Met de huidige verschuiving naar het gebruik van isolerende substraten en golfgeleideretsen voor de vorming van modulatoren is een Curie-temperatuur van 610 °C echter meer dan voldoende.
◆ Zal dunnefilm-lithiumtantalaat (LTOI) dunnefilm-lithiumniobaat (TFLN) vervangen?
Op basis van huidig onderzoek biedt LTOI voordelen op het gebied van passieve prestaties, stabiliteit en productiekosten op grote schaal, zonder duidelijke nadelen. LTOI overtreft lithiumniobaat echter niet in modulatieprestaties en de stabiliteitsproblemen met LTOI zijn al opgelost. Voor communicatie-DR-modules is er minimale vraag naar passieve componenten (en siliciumnitride zou indien nodig gebruikt kunnen worden). Bovendien zijn nieuwe investeringen nodig om etsprocessen op waferniveau, hetero-integratietechnieken en betrouwbaarheidstesten opnieuw te ontwikkelen (de moeilijkheid bij het etsen van lithiumniobaat lag niet bij de golfgeleider zelf, maar bij het bereiken van een hoge opbrengst op waferniveau). Om te kunnen concurreren met de gevestigde positie van lithiumniobaat, moet LTOI mogelijk nog verdere voordelen ontdekken. Vanuit academisch oogpunt biedt LTOI echter een aanzienlijk onderzoekspotentieel voor geïntegreerde on-chip-systemen, zoals octaafbrede elektro-optische kammen, PPLT, soliton- en AWG-golflengteverdelingsapparaten en arraymodulatoren.
Geplaatst op: 8 november 2024