Тонкопленочный танталат лития (LTOI) становится важной новой силой в области интегральной оптики. В этом году было опубликовано несколько высококачественных работ по модуляторам на основе LTOI, в том числе высококачественные пластины LTOI, предоставленные профессором Синь Оу из Шанхайского института микросистем и информационных технологий, и высококачественные процессы травления волноводов, разработанные группой профессора Киппенберга в EPFL, Швейцария. Их совместные усилия продемонстрировали впечатляющие результаты. Кроме того, исследовательские группы из Чжэцзянского университета под руководством профессора Лю Лю и Гарвардского университета под руководством профессора Лонкара также сообщили о высокоскоростных и высокостабильных модуляторах на основе LTOI.
Являясь близким родственником тонкопленочного ниобата лития (LNOI), LTOI сохраняет высокоскоростную модуляцию и низкие потери, характерные для ниобата лития, а также предлагает такие преимущества, как низкая стоимость, низкое двулучепреломление и уменьшенные фоторефрактивные эффекты. Ниже представлено сравнение основных характеристик двух материалов.
◆ Сходства между танталатом лития (LTOI) и ниобатом лития (LNOI)
①Показатель преломления:2,12 против 2,21
Это означает, что размеры одномодовых волноводов, радиус изгиба и типичные размеры пассивных устройств, основанных на обоих материалах, очень похожи, а их характеристики связи с волокном также сопоставимы. При качественном травлении волноводов оба материала позволяют достичь потерь на входе, равных<0,1 дБ/см. По данным EPFL, потери в волноводе составляют 5,6 дБ/м.
②Электрооптический коэффициент:30,5 пм/В против 30,9 пм/В
Эффективность модуляции сопоставима для обоих материалов, при этом модуляция основана на эффекте Поккельса, что позволяет достичь высокой полосы пропускания. В настоящее время модуляторы на основе LTOI способны достигать производительности 400 Гбит/с на линию, с полосой пропускания, превышающей 110 ГГц.
③Ширина запрещенной зоны:3,93 эВ против 3,78 эВ
Оба материала обладают широким окном прозрачности, что позволяет использовать их в диапазоне длин волн от видимого до инфракрасного, без поглощения в коммуникационных диапазонах.
④Нелинейный коэффициент второго порядка (d33):21 pm/V против 27 pm/V
При использовании в нелинейных приложениях, таких как генерация второй гармоники (SHG), генерация разностной частоты (DFG) или генерация суммарной частоты (SFG), эффективность преобразования двух материалов должна быть весьма схожей.
◆ Преимущество LTOI по стоимости по сравнению с LNOI
①Снижение затрат на подготовку пластин
Технология LNOI требует имплантации ионов гелия для разделения слоев, что приводит к низкой эффективности ионизации. В отличие от этого, технология LTOI использует имплантацию ионов водорода для разделения, аналогично SOI, с эффективностью расслоения более чем в 10 раз выше, чем у LNOI. Это приводит к существенной разнице в цене 6-дюймовых пластин: 300 долларов против 2000 долларов, что составляет снижение стоимости на 85%.
②Он уже широко используется на рынке бытовой электроники в качестве акустических фильтров.(750 000 единиц в год, используются компаниями Samsung, Apple, Sony и др.).
◆ Преимущества LTOI по сравнению с LNOI в плане производительности
①Меньше дефектов материала, более слабый фоторефракционный эффект, большая стабильность.
Первоначально модуляторы LNOI часто демонстрировали дрейф точки смещения, в основном из-за накопления заряда, вызванного дефектами на границе волновода. Без обработки этим устройствам могло потребоваться до суток для стабилизации. Однако были разработаны различные методы решения этой проблемы, такие как использование покрытия из оксида металла, поляризация подложки и отжиг, что в настоящее время делает эту проблему в значительной степени решаемой.
В отличие от этого, LTOI имеет меньше дефектов материала, что приводит к значительному снижению дрейфа. Даже без дополнительной обработки его рабочая точка остается относительно стабильной. Аналогичные результаты были получены в EPFL, Гарварде и Чжэцзянском университете. Однако в сравнении часто используются необработанные модуляторы LNOI, что может быть не совсем корректно; при обработке характеристики обоих материалов, вероятно, будут схожими. Основное различие заключается в том, что для LTOI требуется меньше дополнительных этапов обработки.
②Меньшее двойное лучепреломление: 0,004 против 0,07
Высокое двулучепреломление ниобата лития (LNOI) порой может представлять собой сложную задачу, особенно потому, что изгибы волновода могут вызывать связь и гибридизацию мод. В тонких пленках LNOI изгиб волновода может частично преобразовывать TE-излучение в TM-излучение, что усложняет изготовление некоторых пассивных устройств, таких как фильтры.
В случае с LTOI более низкое двулучепреломление устраняет эту проблему, потенциально упрощая разработку высокопроизводительных пассивных устройств. EPFL также сообщила о заметных результатах, используя низкое двулучепреломление LTOI и отсутствие пересечения мод для достижения генерации сверхширокоспектральных электрооптических частотных гребенок с плоским управлением дисперсией в широком спектральном диапазоне. Это привело к впечатляющей полосе пропускания гребенки в 450 нм с более чем 2000 линиями, что в несколько раз больше, чем можно достичь с ниобатом лития. По сравнению с кераровскими оптическими частотными гребенками, электрооптические гребенки обладают преимуществом отсутствия порогового значения и большей стабильности, хотя и требуют мощного микроволнового входного сигнала.
③Повышенный порог оптического повреждения
Порог оптического повреждения LTOI вдвое выше, чем у LNOI, что дает преимущество в нелинейных приложениях (и потенциально в будущих приложениях когерентного идеального поглощения (CPO)). Нынешние уровни мощности оптических модулей вряд ли повредят ниобат лития.
④Низкий эффект Рамана
Это также относится к нелинейным приложениям. Ниобат лития обладает сильным рамановским эффектом, который в приложениях с оптическими частотными гребенками Керра может приводить к нежелательной генерации рамановского света и конкуренции усиления, препятствуя достижению солитонного состояния оптическими частотными гребенками на основе ниобата лития с x-срезом. В случае с LTOI рамановский эффект может быть подавлен за счет проектирования ориентации кристалла, что позволяет LTOI с x-срезом достигать генерации солитонных оптических частотных гребенок. Это позволяет монолитно интегрировать солитонные оптические частотные гребенки с высокоскоростными модуляторами, чего невозможно достичь с LNOI.
◆ Почему тонкопленочный танталат лития (LTOI) не был упомянут ранее?
Танталат лития имеет более низкую температуру Кюри, чем ниобат лития (610 °C против 1157 °C). До разработки технологии гетероинтеграции (XOI) модуляторы на основе ниобата лития изготавливались методом диффузии титана, что требует отжига при температуре более 1000 °C, делая LTOI непригодным. Однако с учетом современного перехода к использованию изоляционных подложек и травления волноводов для формирования модуляторов, температуры Кюри в 610 °C более чем достаточно.
◆ Заменит ли тонкопленочный танталат лития (LTOI) тонкопленочный ниобат лития (TFLN)?
Согласно текущим исследованиям, LTOI обладает преимуществами в пассивных характеристиках, стабильности и стоимости крупномасштабного производства, не имея при этом очевидных недостатков. Однако LTOI не превосходит ниобат лития по модуляционным характеристикам, а проблемы со стабильностью LNOI имеют известные решения. Для коммуникационных модулей DR потребность в пассивных компонентах минимальна (при необходимости можно использовать нитрид кремния). Кроме того, требуются новые инвестиции для восстановления процессов травления на уровне пластин, методов гетероинтеграции и тестирования надежности (трудность с травлением ниобата лития заключалась не в волноводе, а в достижении высокой производительности травления на уровне пластин). Поэтому, чтобы конкурировать с устоявшейся позицией ниобата лития, LTOI, возможно, потребуется выявить дополнительные преимущества. Однако в академической сфере LTOI предлагает значительный исследовательский потенциал для интегрированных систем на кристалле, таких как электрооптические гребенки с октавным охватом, PPLT, солитонные и AWG-устройства с разделением длин волн и матричные модуляторы.
Дата публикации: 08.11.2024