Тонкопленочный материал танталата лития (LTOI) становится новой значительной силой в области интегральной оптики. В этом году было опубликовано несколько высокоуровневых работ по модуляторам LTOI, с высококачественными пластинами LTOI, предоставленными профессором Синь Оу из Шанхайского института микросистем и информационных технологий, и высококачественными процессами травления волноводов, разработанными 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, высокостабильных модуляторах LTOI.
Будучи близким родственником тонкопленочного ниобата лития (LNOI), LTOI сохраняет высокоскоростную модуляцию и характеристики низких потерь ниобата лития, а также предлагает такие преимущества, как низкая стоимость, низкое двулучепреломление и сниженные фоторефрактивные эффекты. Сравнение основных характеристик двух материалов представлено ниже.
◆ Сходства между танталатом лития (LTOI) и ниобатом лития (LNOI)
①Показатель преломления:2.12 против 2.21
Это означает, что размеры одномодового волновода, радиус изгиба и общие размеры пассивных устройств на основе обоих материалов очень похожи, и их характеристики связи с волокном также сопоставимы. При хорошем травлении волновода оба материала могут достичь вносимых потерь<0,1 дБ/см. EPFL сообщает о потерях в волноводе 5,6 дБ/м.
②Электрооптический коэффициент:30,5 pm/V против 30,9 pm/V
Эффективность модуляции сопоставима для обоих материалов, с модуляцией, основанной на эффекте Поккельса, что обеспечивает высокую пропускную способность. В настоящее время модуляторы LTOI способны достигать производительности 400G на полосу с пропускной способностью, превышающей 110 ГГц.
③Ширина запрещенной зоны:3,93 эВ против 3,78 эВ
Оба материала имеют широкое прозрачное окно, что позволяет использовать их в диапазоне от видимого до инфракрасного диапазона длин волн, не поглощая при этом волны в диапазонах связи.
④Нелинейный коэффициент второго порядка (d33):21 pm/V против 27 pm/V
При использовании в нелинейных приложениях, таких как генерация второй гармоники (ГВГ), генерация разностной частоты (ГРЧ) или генерация суммарной частоты (СЧЧ), эффективность преобразования двух материалов должна быть весьма схожей.
◆ Преимущество в стоимости 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 для 6-дюймовых пластин: $300 против $2000, снижение стоимости на 85%.
②Он уже широко используется на рынке бытовой электроники для акустических фильтров.(750 000 единиц в год, используются Samsung, Apple, Sony и т. д.).
◆ Преимущества производительности LTOI по сравнению с LNOI
①Меньше дефектов материала, слабее фоторефрактивный эффект, больше стабильности
Первоначально модуляторы LNOI часто демонстрировали дрейф точки смещения, в первую очередь из-за накопления заряда, вызванного дефектами на интерфейсе волновода. Если не лечить, то для стабилизации этих устройств может потребоваться до суток. Однако были разработаны различные методы решения этой проблемы, такие как использование металлоксидного покрытия, поляризации подложки и отжига, что делает эту проблему в значительной степени управляемой в настоящее время.
Напротив, LTOI имеет меньше дефектов материала, что приводит к значительному снижению явлений дрейфа. Даже без дополнительной обработки его рабочая точка остается относительно стабильной. Похожие результаты были получены в EPFL, Гарварде и Чжэцзянском университете. Однако сравнение часто использует необработанные модуляторы LNOI, что может быть не совсем справедливо; с обработкой производительность обоих материалов, вероятно, схожа. Основное различие заключается в том, что LTOI требует меньше дополнительных этапов обработки.
②Более низкое двупреломление: 0,004 против 0,07
Высокая двулучепреломляемость ниобата лития (LNOI) может быть иногда сложной, особенно потому, что изгибы волновода могут вызывать модовую связь и гибридизацию мод. В тонком LNOI изгиб волновода может частично преобразовывать TE-свет в TM-свет, усложняя изготовление некоторых пассивных устройств, таких как фильтры.
С LTOI более низкое двулучепреломление устраняет эту проблему, что потенциально упрощает разработку высокопроизводительных пассивных устройств. EPFL также сообщила о заметных результатах, используя низкое двулучепреломление LTOI и отсутствие пересечения мод для достижения генерации электрооптической частотной гребенки сверхширокого спектра с плоским управлением дисперсией в широком спектральном диапазоне. Это привело к впечатляющей полосе пропускания гребенки 450 нм с более чем 2000 линиями гребенки, в несколько раз больше, чем то, что можно достичь с помощью ниобата лития. По сравнению с оптическими частотными гребенками Керра, электрооптические гребенки обладают тем преимуществом, что они не имеют порога и более стабильны, хотя для них требуется мощный микроволновый вход.
③Более высокий порог оптического повреждения
Порог оптического повреждения LTOI в два раза выше, чем у LNOI, что обеспечивает преимущество в нелинейных приложениях (и потенциально будущих приложениях Coherent Perfect Absorbment (CPO)). Текущие уровни мощности оптического модуля вряд ли повредят ниобат лития.
④Низкий эффект Рамана
Это также относится к нелинейным приложениям. Ниобат лития имеет сильный эффект Рамана, который в приложениях оптических частотных гребенок Керра может привести к нежелательной генерации света Рамана и усилению конкуренции, не позволяя литий-ниобатным оптическим частотным гребенкам x-cut достигать солитонного состояния. С LTOI эффект Рамана может быть подавлен посредством конструкции ориентации кристалла, что позволяет x-cut LTOI достичь генерации солитонной оптической частотной гребенки. Это обеспечивает монолитную интеграцию солитонных оптических частотных гребенок с высокоскоростными модуляторами, что невозможно с LNOI.
◆ Почему тонкопленочный танталат лития (LTOI) не упоминался 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 с использованием диффузии титана, которая требует отжига при температуре более 1000°C, что делает LTOI непригодным. Однако с сегодняшним переходом к использованию подложек-изоляторов и травления волноводов для формирования модулятора температура Кюри 610°C более чем достаточна.
◆ Заменит ли тонкопленочный танталат лития (LTOI) тонкопленочный ниобат лития (TFLN)?
На основании текущих исследований LTOI предлагает преимущества в пассивной производительности, стабильности и стоимости крупномасштабного производства, без очевидных недостатков. Однако LTOI не превосходит ниобат лития по производительности модуляции, а проблемы стабильности с LNOI имеют известные решения. Для модулей DR связи существует минимальный спрос на пассивные компоненты (и нитрид кремния может использоваться при необходимости). Кроме того, требуются новые инвестиции для восстановления процессов травления на уровне пластины, 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, потребуется раскрыть дополнительные преимущества. Однако с академической точки зрения LTOI предлагает значительный исследовательский потенциал для интегрированных систем на кристалле, таких как охватывающие октаву электрооптические гребенки, PPLT, солитонные и AWG-устройства разделения длины волны и матричные модуляторы.
Время публикации: 08.11.2024