Тонкоплёночный материал на основе танталата лития (LTOI) становится новым важным направлением в области интегральной оптики. В этом году было опубликовано несколько работ высокого уровня по модуляторам LTOI. Высококачественные пластины LTOI были предоставлены профессором Синь Оу из Шанхайского института микросистем и информационных технологий, а высококачественные процессы травления волноводов были разработаны группой профессора Киппенберга из Федеральной политехнической школы Лозанны (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 представили доклады о высокоскоростных и высокостабильных модуляторах LTOI.
Будучи близким родственником тонкоплёночного ниобата лития (LNOI), LTOI сохраняет высокоскоростную модуляцию и низкие потери, характерные для ниобата лития, а также обладает такими преимуществами, как низкая стоимость, низкое двулучепреломление и снижение фоторефрактивных эффектов. 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 размеры обычных пассивных устройств на основе обоих материалов очень схожи, а их характеристики связи с волокном также сопоставимы. При хорошем травлении волноводов оба материала могут обеспечить вносимые потери<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 для обоих материалов сопоставима, а модуляция основана на эффекте Поккельса, что обеспечивает высокую пропускную способность. В настоящее время модуляторы LTOI способны достигать производительности 400 Гбит/с на линию при полосе пропускания более 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, не поглощая при этом свет 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
Метод LNOI требует имплантации ионов гелия для разделения слоёв, что имеет низкую эффективность ионизации. В отличие от этого, метод LTOI использует имплантацию ионов водорода для разделения, аналогично методу SOI, с эффективностью расслоения более чем в 10 раз выше, чем метод LNOI. Это приводит к существенной разнице в цене для 6-дюймовых пластин: 300 долларов против 2000 долларов, что на 85% дешевле.
②Он уже широко используется на рынке потребительской электроники для акустических фильтров.(750 000 единиц в год, используются компаниями Samsung, Apple, Sony и т. д.).
◆ Преимущества производительности LTOI по сравнению с LNOI
①Меньше дефектов материала, слабее фоторефрактивный эффект, выше стабильность
Первоначально в модуляторах LNOI часто наблюдался дрейф точки смещения, в первую очередь из-за накопления заряда, вызванного дефектами на границе волновода. Без обработки стабилизация этих устройств могла занять до суток. Однако были разработаны различные методы решения этой проблемы, такие как использование металлоксидного покрытия, поляризации подложки и отжига, что в настоящее время делает эту проблему в значительной степени управляемой.
В отличие от этого, LTOI имеет меньше дефектов материала, что приводит к значительному снижению дрейфа. Даже без дополнительной обработки его рабочая точка остаётся относительно стабильной. Аналогичные результаты были получены в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL), Гарвардском университете и Чжэцзянском университете. Однако при сравнении часто используются необработанные LNOI-модуляторы, что может быть не совсем объективно; после обработки характеристики обоих материалов, вероятно, схожи. Основное отличие заключается в том, что LTOI требует меньше дополнительных этапов обработки.
②Более низкое двупреломление: 0,004 против 0,07
Высокая степень двупреломления ниобата лития (LNOI) порой может создавать проблемы, особенно учитывая, что изгибы волновода могут приводить к связи и гибридизации мод. В тонком LNOI изгиб волновода может частично преобразовывать TE-излучение в TM-излучение, что затрудняет изготовление некоторых пассивных устройств, таких как фильтры.
В случае LTOI более низкое двулучепреломление устраняет эту проблему, что потенциально упрощает разработку высокопроизводительных пассивных устройств. EPFL также сообщила о заметных результатах, используя низкое двулучепреломление и отсутствие перекрещивания мод LTOI для генерации электрооптической 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, что в несколько раз больше, чем возможно с ниобатом лития. По сравнению с оптическими частотными гребенками Керра, электрооптические гребенки обладают преимуществом отсутствия порога и большей стабильности, хотя для них требуется мощный входной СВЧ-сигнал.
③Более высокий порог оптического повреждения
Порог оптического повреждения LTOI вдвое выше, чем у LNOI, что обеспечивает преимущество в нелинейных приложениях (и, возможно, в будущих приложениях с когерентным идеальным поглощением (CPO)). Текущие уровни мощности оптических модулей вряд ли могут повредить ниобат лития.
④Низкий эффект Рамана
Это также относится к нелинейным приложениям. Ниобат лития обладает сильным рамановским эффектом, который в керровских оптических частотных гребенках может привести к нежелательной рамановской генерации света и конкуренции за усиление, препятствуя достижению солитонного состояния оптических частотных гребенок на основе ниобата лития с x-срезом. В случае LTOI рамановский эффект может быть подавлен за счёт ориентации кристалла, что позволяет LTOI с x-срезом генерировать солитонные оптические частотные гребенки. Это обеспечивает монолитную интеграцию солитонных оптических частотных гребенок с высокоскоростными модуляторами, что невозможно в случае 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 развития технологии гетероинтеграции (XOI) модуляторы на основе ниобата лития изготавливались методом диффузии титана, требующего отжига при температуре более 1000 °C, что делало метод LTOI непригодным. Однако, в условиях современного перехода к использованию диэлектрических подложек и травления волноводов для формирования модуляторов, температура Кюри 610 °C становится более чем достаточной.
◆ Заменит ли тонкопленочный танталат лития (LTOI) тонкопленочный ниобат лития (TFLN)?
Согласно текущим исследованиям, LTOI обладает преимуществами в пассивной производительности, стабильности и стоимости крупномасштабного производства, не имея очевидных недостатков. Однако LTOI не превосходит ниобат лития по характеристикам модуляции, а проблемы стабильности LNOI уже известны. Для коммуникационных DR-модулей существует минимальный спрос на пассивные компоненты (и при необходимости может быть использован нитрид кремния). Кроме того, требуются новые инвестиции для восстановления процессов травления на уровне пластины, методов гетероинтеграции и испытаний на надежность (трудность травления ниобата лития заключалась не в волноводе, а в достижении высокопроизводительного травления на уровне пластины). Следовательно, чтобы конкурировать с устоявшимися позициями ниобата лития, LTOI, возможно, потребуется раскрыть дополнительные преимущества. Однако с академической точки зрения LTOI обладает значительным исследовательским потенциалом для создания интегрированных на кристалле систем, таких как электрооптические гребенки с октавным охватом, PPLT, солитонные и AWG-устройства разделения длины волны, а также матричные модуляторы.
Время публикации: 08.11.2024