Тонкопленочный материал танталата лития (LTOI) становится важной новой силой в области интегральной оптики. В этом году было опубликовано несколько высокоуровневых работ по модуляторам LTOI, в том числе высококачественные пластины LTOI, предоставленные профессором Синь Оу из Шанхайского института микросистем и информационных технологий, а также высококачественные процессы травления волноводов, разработанные группой профессора Киппенберга в EPFL. , Швейцария. Их совместные усилия показали 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 LTOI.
Будучи близким родственником тонкопленочного ниобата лития (LNOI), LTOI сохраняет высокоскоростную модуляцию и характеристики ниобата лития с низкими потерями, а также предлагает такие преимущества, как низкая стоимость, низкое двойное лучепреломление и снижение фоторефракционных эффектов. Ниже представлено сравнение основных характеристик двух материалов.
◆ Сходства между танталатом лития (LTOI) и ниобатом лития (LNOI)
①Индекс преломления:2,12 против 2,21
Это означает, что размеры одномодовых волноводов, радиус изгиба и общие размеры пассивных устройств на основе обоих материалов очень похожи, а характеристики их связи по волокнам также сопоставимы. При хорошем травлении волноводов оба материала могут достичь вносимых потерь<0,1 дБ/см. EPFL сообщает о потерях в волноводе 5,6 дБ/м.
②Электрооптический коэффициент:30,5 вечера по вертикали против 30,9 вечера по вертикали
Эффективность модуляции сопоставима для обоих материалов, при этом модуляция основана на эффекте Поккельса, что обеспечивает широкую полосу пропускания. В настоящее время модуляторы LTOI способны достигать производительности 400G на линию с полосой пропускания, превышающей 110 ГГц.
③Ширина запрещенной зоны:3,93 эВ против 3,78 эВ
Оба материала имеют широкое прозрачное окно, поддерживающее применение в диапазоне от видимого до инфракрасного диапазона, без поглощения в диапазонах связи.
④Нелинейный коэффициент второго порядка (d33):21:00/В против 27:00/В
При использовании для нелинейных приложений, таких как генерация второй гармоники (ГВГ), генерация разностной частоты (DFG) или генерация суммарной частоты (SFG), эффективность преобразования этих двух материалов должна быть весьма схожей.
◆ Экономическое преимущество LTOI по сравнению с LNOI
①Снижение затрат на подготовку пластин
LNOI требует имплантации ионов He для разделения слоев, что имеет низкую эффективность ионизации. Напротив, LTOI использует имплантацию ионов H для разделения, аналогично SOI, с эффективностью расслаивания более чем в 10 раз выше, чем LNOI. Это приводит к значительной разнице в цене на 6-дюймовые пластины: 300 долларов против 2000 долларов, что означает снижение затрат на 85%.
②Он уже широко используется на рынке бытовой электроники для акустических фильтров.(750 000 единиц в год, используются Samsung, Apple, Sony и др.).
◆ Преимущества производительности LTOI по сравнению с LNOI
①Меньше дефектов материала, более слабый фоторефрактивный эффект, большая стабильность
Первоначально в модуляторах LNOI часто наблюдался дрейф точки смещения, в первую очередь из-за накопления заряда, вызванного дефектами на границе раздела волноводов. Если не лечить, стабилизация этих устройств может занять до суток. Однако для решения этой проблемы были разработаны различные методы, такие как использование плакирования из оксидов металлов, поляризация подложки и отжиг, что делает эту проблему в настоящее время в значительной степени решаемой.
Напротив, LTOI имеет меньше дефектов материала, что приводит к значительному уменьшению явления дрейфа. Даже без дополнительной обработки его рабочая точка остается относительно стабильной. Аналогичные результаты были получены EPFL, Гарвардом и Чжэцзянским университетом. Однако при сравнении часто используются необработанные модуляторы LNOI, что может быть не совсем справедливо; при обработке характеристики обоих материалов, вероятно, будут одинаковыми. Основное отличие заключается в том, что LTOI требует меньшего количества дополнительных этапов обработки.
②Нижнее двулучепреломление: 0,004 против 0,07.
Высокое двойное лучепреломление ниобата лития (LNOI) иногда может быть проблематичным, особенно потому, что изгибы волновода могут вызвать взаимодействие мод и гибридизацию мод. В тонком LNOI изгиб волновода может частично преобразовывать свет TE в свет TM, что усложняет изготовление некоторых пассивных устройств, таких как фильтры.
Благодаря LTOI более низкое двойное лучепреломление устраняет эту проблему, что потенциально упрощает разработку высокопроизводительных пассивных устройств. EPFL также сообщила о заметных результатах, используя низкое двойное лучепреломление LTOI и отсутствие пересечения мод для достижения генерации электрооптических гребенчатых частот сверхширокого спектра с плоским контролем дисперсии в широком спектральном диапазоне. В результате была получена впечатляющая ширина полосы гребенки 450 нм с более чем 2000 гребенчатыми линиями, что в несколько раз больше, чем можно достичь с помощью ниобата лития. По сравнению с гребенками оптических частот Керра электрооптические гребенки обладают преимуществом отсутствия порогов и большей стабильностью, хотя для них требуется мощный микроволновый вход.
③Более высокий порог оптического повреждения
Порог оптического повреждения LTOI в два раза выше, чем у LNOI, что дает преимущество в нелинейных приложениях (и, возможно, в будущих приложениях когерентного идеального поглощения (CPO)). Текущие уровни мощности оптических модулей вряд ли повредят ниобат лития.
④Низкий рамановский эффект
Это относится и к нелинейным приложениям. Ниобат лития обладает сильным комбинационным эффектом, который в приложениях гребенки оптических частот Керра может привести к нежелательной генерации комбинационного рассеяния света и вызвать конкуренцию, не позволяя гребенкам оптических частот ниобата лития с x-срезом достичь солитонного состояния. С помощью LTOI эффект комбинационного рассеяния света можно подавить за счет конструкции ориентации кристалла, что позволяет LTOI с x-срезом обеспечить генерацию солитонной гребенки оптических частот. Это позволяет монолитно интегрировать солитонные гребенки оптических частот с высокоскоростными модуляторами, что недостижимо с помощью LNOI.
◆ Почему ранее не упоминался тонкопленочный танталат лития (LTOI)?
Танталат лития имеет более низкую температуру Кюри, чем ниобат лития (610°C против 1157°C). До разработки технологии гетероинтеграции (XOI) модуляторы из ниобата лития изготавливались методом диффузии титана, что требует отжига при температуре выше 1000°C, что делает LTOI непригодным. Однако с сегодняшним переходом к использованию диэлектрических подложек и травлению волноводов для формирования модулятора температура Кюри 610°C более чем достаточна.
◆ Заменит ли тонкопленочный танталат лития (LTOI) тонкопленочный ниобат лития (TFLN)?
Согласно текущим исследованиям, LTOI предлагает преимущества в пассивной производительности, стабильности и стоимости крупномасштабного производства без каких-либо очевидных недостатков. Однако LTOI не превосходит ниобат лития по характеристикам модуляции, а проблемы стабильности LNOI имеют известные решения. Для модулей коммуникационного DR существует минимальная потребность в пассивных компонентах (при необходимости можно использовать нитрид кремния). Кроме того, необходимы 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 высокопроизводительного травления на уровне пластины). Поэтому, чтобы конкурировать с устоявшейся позицией ниобата лития, LTOI, возможно, придется раскрыть дополнительные преимущества. Однако с академической точки зрения LTOI предлагает значительный исследовательский потенциал для интегрированных систем на кристалле, таких как электрооптические гребенки с охватом октав, PPLT, солитонные устройства и устройства деления длины волны AWG, а также матричные модуляторы.
Время публикации: 08 ноября 2024 г.