Ohutkalvoinen litiumtantalaatti (LTOI) -materiaali on nousemassa merkittäväksi uudeksi voimaksi integroidun optiikan alalla. Tänä vuonna on julkaistu useita korkean tason töitä LTOI-modulaattoreista. Shanghain mikrosysteemi- ja informaatioteknologian instituutin professori Xin Ou on toimittanut korkealaatuisia LTOI-kiekkoja ja professori Kippenbergin ryhmä EPFL:ssä Sveitsissä on kehittänyt korkealaatuisia aaltojohtimien etsausprosesseja. Heidän yhteistyönsä on tuottanut vaikuttavia tuloksia. Lisäksi professori Liu Liun johtamat Zhejiangin yliopiston ja professori Loncarin johtamat Harvardin yliopiston tutkimusryhmät ovat myös raportoineet nopeista ja erittäin stabiileista LTOI-modulaattoreista.
Ohutkalvoisen litiumniobaatin (LNOI) läheisenä sukulaisena LTOI säilyttää litiumniobaatin nopean moduloinnin ja vähähäviöiset ominaisuudet, mutta tarjoaa myös etuja, kuten alhaisen hinnan, vähäisen kahtaistaittumisen ja vähentyneet valotaitteisuusvaikutukset. Näiden kahden materiaalin pääominaisuuksien vertailu esitetään alla.
◆ Litiumtantalaatin (LTOI) ja litiumniobaatin (LNOI) yhtäläisyydet
①Taitekerroin:2.12 vs. 2.21
Tämä tarkoittaa, että molempien materiaalien yksimuotoisten aaltojohtimien mitat, taivutussäde ja yleisten passiivisten laitteiden koot ovat hyvin samankaltaisia, ja niiden kuitujen kytkentäominaisuudet ovat myös vertailukelpoisia. Hyvällä aaltojohtimien etsauksella molemmat materiaalit voivat saavuttaa 50 %:n lisäysvaimennuksen.<0,1 dB/cm. EPFL raportoi aaltojohtimien häviöksi 5,6 dB/m.
②Elektro-optinen kerroin:30,5 pm/V vs. 30,9 pm/V
Modulaatiotehokkuus on molemmilla materiaaleilla vertailukelpoinen, ja modulointi perustuu Pockelsin ilmiöön, mikä mahdollistaa suuren kaistanleveyden. Tällä hetkellä LTOI-modulaattorit pystyvät saavuttamaan 400 G:n kaistanleveyden ja yli 110 GHz:n kaistanleveyden.
③Kaistanleveys:3,93 eV vs. 3,78 eV
Molemmissa materiaaleissa on laaja läpinäkyvä ikkuna, joka tukee sovelluksia näkyvän valon ja infrapunavalon aallonpituuksien välillä ilman absorptiota viestintäkaistoilla.
④Toisen asteen epälineaarinen kerroin (d33):klo 21/V vs. klo 27/V
Jos materiaalia käytetään epälineaarisissa sovelluksissa, kuten toisen harmonisen generoinnissa (SHG), erotustaajuusgeneroinnissa (DFG) tai summataajuusgeneroinnissa (SFG), niiden muuntotehokkuuden tulisi olla melko samanlainen.
◆ LTOI:n kustannusetu verrattuna LNOI:hin
①Alemmat kiekkojen valmistuskustannukset
LNOI vaatii heliumioni-istutusta kerrosten erottamiseen, jolla on alhainen ionisaatiotehokkuus. Sitä vastoin LTOI käyttää erotusmenetelmään triatomin ioni-istutusta, samalla tavalla kuin SOI, mutta sen delaminaatiotehokkuus on yli 10 kertaa suurempi kuin LNOI:lla. Tämä johtaa merkittävään hintaeroon 6 tuuman kiekoilla: 300 dollaria vs. 2000 dollaria, mikä on 85 %:n kustannussäästö.
②Sitä käytetään jo laajalti kulutuselektroniikan markkinoilla akustisiin suodattimiin.(750 000 yksikköä vuodessa, Samsungin, Applen, Sonyn jne. käyttämä).
◆ LTOI:n ja LNOI:n suorituskyvyn edut
①Vähemmän materiaalivirheitä, heikompi valon taittumisvaikutus, enemmän vakautta
Aluksi LNOI-modulaattoreissa esiintyi usein biaspisteen ajautumista, joka johtui pääasiassa aaltojohderajapinnan vikojen aiheuttamasta varauksen kertymisestä. Hoitamattomina näiden laitteiden vakautuminen saattoi kestää jopa päivän. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin kuitenkin useita menetelmiä, kuten metallioksidipäällysteen käyttö, substraatin polarisaatio ja hehkutus, minkä ansiosta ongelma on nykyään suurelta osin hallittavissa.
Sitä vastoin LTOI:ssa on vähemmän materiaalivirheitä, mikä johtaa merkittävästi vähentyneisiin ajautumisilmiöihin. Jopa ilman lisäkäsittelyä sen toimintapiste pysyy suhteellisen vakaana. Samankaltaisia tuloksia ovat raportoineet EPFL, Harvard ja Zhejiangin yliopisto. Vertailussa käytetään kuitenkin usein käsittelemättömiä LNOI-modulaattoreita, mikä ei välttämättä ole täysin oikeudenmukaista; käsittelyn jälkeen molempien materiaalien suorituskyky on todennäköisesti samanlainen. Tärkein ero on siinä, että LTOI vaatii vähemmän lisäkäsittelyvaiheita.
②Alhaisempi kahtaistaittavuus: 0,004 vs. 0,07
Litiumniobaatin (LNOI) voimakas kahtaistaittavuus voi olla ajoittain haastavaa, varsinkin kun aaltojohtimen taivutukset voivat aiheuttaa moodikytkentää ja moodihybridisaatiota. Ohuessa LNOI:ssa aaltojohtimen taivutus voi osittain muuntaa TE-valoa TM-valoksi, mikä vaikeuttaa tiettyjen passiivisten laitteiden, kuten suodattimien, valmistusta.
LTOI:n alhaisempi kahtaistaittavuus poistaa tämän ongelman, mikä voi helpottaa tehokkaiden passiivisten laitteiden kehittämistä. Myös EPFL on raportoinut merkittäviä tuloksia hyödyntäen LTOI:n alhaista kahtaistaittavuutta ja moodiylityksen puuttumista saavuttaakseen erittäin laajan spektrin sähköoptisen taajuuskamman generoinnin ja tasaisen dispersion hallinnan laajalla spektrialueella. Tämä johti vaikuttavaan 450 nm:n kampakaistanleveyteen ja yli 2000 kampaviivaan, mikä on useita kertoja suurempi kuin mitä voidaan saavuttaa litiumniobaatilla. Kerrin optisiin taajuuskampoihin verrattuna sähköoptiset kammat tarjoavat etuna kynnysarvottomuuden ja vakauden, vaikka ne vaativatkin suuritehoisen mikroaaltosyötön.
③Korkeampi optinen vauriokynnys
LTOI:n optinen vauriokynnys on kaksinkertainen LNOI:hin verrattuna, mikä tarjoaa edun epälineaarisissa sovelluksissa (ja mahdollisesti tulevaisuuden koherentin täydellisen absorption (CPO) sovelluksissa). Nykyiset optisten moduulien tehotasot eivät todennäköisesti vahingoita litiumniobaattia.
④Matala Raman-ilmiö
Tämä koskee myös epälineaarisia sovelluksia. Litiumniobaatilla on voimakas Raman-ilmiö, joka Kerrin optisten taajuuskampojen sovelluksissa voi johtaa ei-toivottuun Raman-valon muodostumiseen ja saada kilpailua estäen X-leikattuja litiumniobaatista valmistettuja optisia taajuuskampoja saavuttamasta solitonitilaa. LTOI:n avulla Raman-ilmiö voidaan vaimentaa kiteen orientaatiosuunnittelulla, jolloin X-leikattu LTOI voi saavuttaa solitonisen optisen taajuuskampan muodostumisen. Tämä mahdollistaa solitonisten optisten taajuuskampojen monoliittisen integroinnin nopeisiin modulaattoreihin, mikä ei ole mahdollista LNOI:lla.
◆ Miksi ohutkalvolitiumtantalaattia (LTOI) ei mainittu aiemmin?
Litiumtantalaatilla on alhaisempi Curie-lämpötila kuin litiumniobaatilla (610 °C vs. 1157 °C). Ennen heterointegraatiotekniikan (XOI) kehittämistä litiumniobaattimodulaattoreita valmistettiin titaanidiffuusiolla, joka vaati hehkutuksen yli 1000 °C:ssa, mikä tekee LTOI:sta sopimattoman. Nykypäivän siirtyessä eristealustojen ja aaltojohtoetsauksen käyttöön modulaattoreiden valmistuksessa 610 °C:n Curie-lämpötila on kuitenkin enemmän kuin riittävä.
◆ Korvaako ohutkalvolitiumtantalaatti (LTOI) ohutkalvolitiumniobaatin (TFLN)?
Nykytutkimuksen perusteella LTOI tarjoaa etuja passiivisen suorituskyvyn, vakauden ja laajamittaisen tuotantokustannusten suhteen ilman ilmeisiä haittoja. LTOI ei kuitenkaan ylitä litiumniobaattia modulointikyvyssä, ja LNOI:n vakausongelmiin on tunnettuja ratkaisuja. Tiedonsiirto-DR-moduuleissa passiivisten komponenttien kysyntä on vähäistä (ja piinitridiä voitaisiin käyttää tarvittaessa). Lisäksi tarvitaan uusia investointeja kiekkotason etsausprosessien, heterointegraatiotekniikoiden ja luotettavuustestauksen palauttamiseksi (litiumniobaattietsauksen vaikeus ei ollut aaltojohdin, vaan korkean saannon kiekkotason etsauksen saavuttaminen). Siksi kilpaillakseen litiumniobaatin vakiintuneen aseman kanssa LTOI:n on ehkä löydettävä lisää etuja. Akateemisesti LTOI tarjoaa kuitenkin merkittävää tutkimuspotentiaalia integroiduille sirujärjestelmille, kuten oktaavinlaajuisille elektro-optisille kampoille, PPLT:lle, soliton- ja AWG-aallonpituusjakolaitteille sekä matriisimodulaattoreille.
Julkaisun aika: 8.11.2024