Ohutkalvolitiumtantalaatti (LTOI): seuraava tähtimateriaali nopeille modulaattoreille?

Ohutkalvolitiumtantalaatti (LTOI) -materiaali on nousemassa merkittäväksi uudeksi voimaksi integroidun optiikan alalla. Tänä vuonna on julkaistu useita korkean tason töitä LTOI-modulaattoreista, ja korkealaatuisia LTOI-kiekkoja tarjoaa professori Xin Ou Shanghain mikrosysteemi- ja tietotekniikan instituutista ja korkealaatuisia aaltoputkietsausprosesseja, jotka on kehittänyt professori Kippenbergin ryhmä EPFL:ssä. , Sveitsi. Heidän yhteistyönsä ovat tuottaneet vaikuttavia tuloksia. Lisäksi professori Liu Liun johtamat Zhejiangin yliopiston ja professori Loncarin johtaman Harvardin yliopiston tutkimusryhmät ovat myös raportoineet nopeista, erittäin vakaista LTOI-modulaattoreista.

Ohutkalvolitiumniobaatin (LNOI) lähisukulaisena LTOI säilyttää litiumniobaatin nopean modulaation ja pienihäviöiset ominaisuudet samalla, kun se tarjoaa myös etuja, kuten alhaisen hinnan, alhaisen kahtaistaittavuuden ja pienentyneen valotaitevaikutuksen. Alla on esitetty näiden kahden materiaalin pääominaisuuksien vertailu.

微信图片_20241106164015

◆ Samankaltaisuudet litiumtantalaatin (LTOI) ja litiumniobaatin (LNOI) välillä
Taitekerroin:2,12 vs 2,21
Tämä tarkoittaa, että yksimuotoisen aaltoputken mitat, taivutussäde ja yleiset passiivisten laitteiden koot molemmissa materiaaleissa ovat hyvin samankaltaisia, ja niiden kuitukytkentäkyky on myös vertailukelpoinen. Hyvällä aaltoputkisyövytyksellä molemmat materiaalit voivat saavuttaa syöttöhäviön<0,1 dB/cm. EPFL raportoi aaltoputkihäviön olevan 5,6 dB/m.

Sähköoptinen kerroin:30,5 pm/V vs. 30,9 pm/V
Moduloinnin tehokkuus on vertailukelpoinen molemmilla materiaaleilla, ja modulaatio perustuu Pockels-efektiin, mikä mahdollistaa suuren kaistanleveyden. Tällä hetkellä LTOI-modulaattorit pystyvät saavuttamaan 400 G kaistan suorituskyvyn yli 110 GHz:n kaistanleveydellä.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV vs 3,78 eV
Molemmissa materiaaleissa on leveä läpinäkyvä ikkuna, joka tukee sovelluksia näkyvästä infrapuna-aallonpituuksiin ilman absorptiota viestintäkaistoilla.

Toisen asteen epälineaarinen kerroin (d33):21 pm/V vs 27 pm/V
Jos niitä käytetään epälineaarisissa sovelluksissa, kuten toisessa harmonisessa sukupolvessa (SHG), erotaajuuksien generoinnissa (DFG) tai summa-taajuuden generoinnissa (SFG), näiden kahden materiaalin muunnostehokkuuksien tulisi olla melko samanlaisia.

◆ LTOI:n kustannusetu vs. LNOI
Pienemmät kiekkojen valmistuskustannukset
LNOI vaatii He-ioni-istutuksen kerrosten erottamiseen, jolla on alhainen ionisaatiotehokkuus. Sitä vastoin LTOI käyttää H-ioni-implantaatiota erottamiseen, kuten SOI, ja delaminaatiotehokkuus on yli 10 kertaa korkeampi kuin LNOI. Tämä johtaa merkittävään hintaeroon 6 tuuman kiekoissa: $ 300 vs. $ 2000, 85 % kustannussäästö.

微信图片_20241106165545

Sitä käytetään jo laajasti kulutuselektroniikkamarkkinoilla akustisten suodattimien markkinoilla(750 000 yksikköä vuodessa, Samsungin, Applen, Sonyn jne. käytössä).

微信图片_20241106165539

◆ LTOI:n ja LNOI:n suorituskyvyn edut
Vähemmän materiaalivirheitä, heikompi valotaitevaikutus, enemmän vakautta
Aluksi LNOI-modulaattoreissa esiintyi usein bias-pistepoikkeamaa, mikä johtui ensisijaisesti aaltoputken rajapinnassa olevien vikojen aiheuttamasta varauksen kertymisestä. Jos näitä laitteita ei käsitellä, niiden stabiloituminen voi kestää jopa päivän. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin kuitenkin erilaisia ​​menetelmiä, kuten metallioksidipäällysteen, substraatin polarisoinnin ja hehkutuksen käyttäminen, mikä tekee tästä ongelmasta nyt suurelta osin hallittavissa.
Sitä vastoin LTOI:ssa on vähemmän materiaalivirheitä, mikä vähentää merkittävästi ajautumista. Jopa ilman lisäkäsittelyä sen toimintapiste pysyy suhteellisen vakaana. Samanlaisia ​​tuloksia ovat raportoineet EPFL, Harvard ja Zhejiangin yliopisto. Vertailussa käytetään kuitenkin usein käsittelemättömiä LNOI-modulaattoreita, mikä ei välttämättä ole täysin reilua; käsittelyn myötä molempien materiaalien suorituskyky on todennäköisesti samanlainen. Suurin ero on siinä, että LTOI vaatii vähemmän lisäkäsittelyvaiheita.

微信图片_20241106165708

Alempi kahtaistaittavuus: 0,004 vs 0,07
Litiumniobaatin (LNOI) korkea kahtaistaitteisuus voi olla haastavaa toisinaan, varsinkin kun aaltoputken mutkat voivat aiheuttaa moodikytkennän ja moodihybridisaatiota. Ohuessa LNOI:ssa aaltoputken mutka voi osittain muuttaa TE-valon TM-valoksi, mikä vaikeuttaa tiettyjen passiivisten laitteiden, kuten suodattimien, valmistusta.
LTOI:n avulla pienempi kahtaistaitteisuus poistaa tämän ongelman, mikä saattaa helpottaa korkean suorituskyvyn passiivisten laitteiden kehittämistä. EPFL on myös raportoinut merkittävistä tuloksista hyödyntäen LTOI:n alhaista kahtaistaitetta ja moodien risteyksen puuttumista ultralaajaspektrin sähköoptisen taajuuden kampageneroinnin saavuttamiseksi tasaisella dispersioonsäädöllä laajalla spektrialueella. Tämä johti vaikuttavaan 450 nm:n kampakaistanleveyteen yli 2000 kampaviivalla, joka on useita kertoja suurempi kuin litiumniobaatilla voidaan saavuttaa. Kerr-optisiin taajuuskampoihin verrattuna sähköoptisten kampien etuna on kynnysvapaa ja vakaampi, vaikka ne vaativatkin tehokkaan mikroaaltotulon.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Korkeampi optisten vaurioiden kynnys
LTOI:n optinen vauriokynnys on kaksinkertainen LNOI:iin verrattuna, mikä tarjoaa edun epälineaarisissa sovelluksissa (ja mahdollisesti tulevissa koherentin täydellisen absorption (CPO) sovelluksissa). Optisen moduulin nykyiset tehotasot eivät todennäköisesti vahingoita litiumniobaattia.
Matala Raman-efekti
Tämä koskee myös epälineaarisia sovelluksia. Litiumniobaatilla on voimakas Raman-ilmiö, joka Kerr-optisen taajuuden kampasovelluksissa voi johtaa ei-toivottuun Raman-valon syntymiseen ja saada kilpailua, estäen x-leikattuja litiumniobaatti-optisia taajuuskampoja pääsemästä solitonitilaan. LTOI:lla Raman-ilmiö voidaan vaimentaa kidesuuntaussuunnittelun avulla, jolloin x-cut LTOI voi saavuttaa soliton-optisen taajuuden kampageneroinnin. Tämä mahdollistaa soliton-optisten taajuuskampojen monoliittisen integroinnin nopeiden modulaattoreiden kanssa, mikä ei ole saavutettavissa LNOI:lla.
◆ Miksi ohutkalvolitiumtantalaattia (LTOI) ei mainittu aiemmin?
Litiumtantalaatilla on alhaisempi Curie-lämpötila kuin litiumniobaatilla (610 °C vs. 1157 °C). Ennen heterointegraatioteknologian (XOI) kehittämistä litiumniobaattimodulaattoreita valmistettiin titaanidiffuusiolla, mikä vaatii hehkutusta yli 1000°C:ssa, jolloin LTOI ei sovellu. Kuitenkin, kun nykyään siirrytään käyttämään eristealustoja ja aaltoputkietsausta modulaattorin muodostukseen, 610 °C Curie-lämpötila on enemmän kuin riittävä.
◆ Korvaako ohutkalvolitiumtantalaatti (LTOI) ohutkalvolitiumniobaatin (TFLN)?
Nykyisen tutkimuksen perusteella LTOI tarjoaa etuja passiivisessa suorituskyvyssä, vakaudessa ja suurissa tuotantokustannuksissa ilman näkyviä haittoja. LTOI ei kuitenkaan ohita litiumniobaattia modulaatiosuorituskyvyltään, ja LNOI:n vakausongelmiin on tunnettuja ratkaisuja. Tietoliikenne-DR-moduuleissa passiivisten komponenttien kysyntä on vähäistä (ja piinitridiä voidaan käyttää tarvittaessa). Lisäksi tarvitaan uusia investointeja kiekkotason etsausprosessien, heterointegrointitekniikoiden ja luotettavuustestauksen palauttamiseksi (litiumniobaattietsauksen vaikeus ei ollut aaltoputki, vaan korkeatuottoinen kiekkotason etsaus). Siksi LTOI:n on ehkä löydettävä lisää etuja kilpaillakseen litiumniobaatin vakiintuneen aseman kanssa. Akateemisesti LTOI tarjoaa kuitenkin merkittävää tutkimuspotentiaalia integroiduille on-chip-järjestelmille, kuten oktaavin ylittäville sähköoptisille kammille, PPLT:lle, solitoni- ja AWG-aallonpituusjakolaitteille sekä ryhmämodulaattoreille.


Postitusaika: 08.11.2024