Tunnfilmslitiumtantalat (LTOI): nästa stjärnmaterial för höghastighetsmodulatorer?

Tunnfilmslitiumtantalatmaterial (LTOI) dyker upp som en betydande ny kraft inom det integrerade optikområdet. I år har flera högnivåarbeten om LTOI-modulatorer publicerats, med högkvalitativa LTOI-wafers tillhandahållna av professor Xin Ou från Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, och högkvalitativa vågledaretsningsprocesser utvecklade av professor Kippenbergs grupp vid EPFL , Schweiz. Deras samarbete har visat upp imponerande resultat. Dessutom har forskarlag från Zhejiang University under ledning av professor Liu Liu och Harvard University under ledning av professor Loncar också rapporterat om höghastighets- och högstabila LTOI-modulatorer.

Som en nära släkting till tunnfilmslitiumniobat (LNOI), behåller LTOI höghastighetsmoduleringen och lågförlustegenskaperna hos litiumniobat samtidigt som det erbjuder fördelar som låg kostnad, låg dubbelbrytning och minskade fotobrytningseffekter. En jämförelse av de två materialens huvudsakliga egenskaper presenteras nedan.

微信图片_20241106164015

◆ Likheter mellan litiumtantalat (LTOI) och litiumniobat (LNOI)
Brytningsindex:2,12 mot 2,21
Detta innebär att enkelmodsvågledardimensionerna, böjradien och vanliga passiva enhetsstorlekar baserade på båda materialen är mycket lika, och deras fiberkopplingsprestanda är också jämförbar. Med bra vågledaretsning kan båda materialen uppnå en insättningsförlust på<0,1 dB/cm. EPFL rapporterar en vågledarförlust på 5,6 dB/m.

Elektrooptisk koefficient:30.5 pm/V vs 30.9 pm/V
Moduleringseffektiviteten är jämförbar för båda materialen, med modulering baserad på Pockels-effekten, vilket möjliggör hög bandbredd. För närvarande kan LTOI-modulatorer uppnå 400G prestanda per körfält, med en bandbredd som överstiger 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV vs 3,78 eV
Båda materialen har ett brett transparent fönster, som stödjer applikationer från synliga till infraröda våglängder, utan absorption i kommunikationsbanden.

Andra ordningens ickelinjär koefficient (d33):21 pm/V vs 27 pm/V
Om den används för icke-linjära tillämpningar såsom andra övertonsgenerering (SHG), differensfrekvensgenerering (DFG) eller summafrekvensgenerering (SFG), bör omvandlingseffektiviteten för de två materialen vara ganska lika.

◆ Kostnadsfördelar med LTOI vs LNOI
Lägre kostnad för beredning av wafer
LNOI kräver He-jonimplantation för skiktseparation, vilket har låg joniseringseffektivitet. Däremot använder LTOI H-jonimplantation för separation, liknande SOI, med en delamineringseffektivitet som är över 10 gånger högre än LNOI. Detta resulterar i en betydande prisskillnad för 6-tums wafers: $300 vs. $2000, en kostnadsminskning på 85%.

微信图片_20241106165545

Det används redan i stor utsträckning på konsumentelektronikmarknaden för akustiska filter(750 000 enheter årligen, används av Samsung, Apple, Sony, etc.).

微信图片_20241106165539

◆ Prestandafördelar med LTOI vs LNOI
Färre materialdefekter, svagare fotobrytningseffekt, mer stabilitet
Inledningsvis uppvisade LNOI-modulatorer ofta förspänningspunktsdrift, främst på grund av laddningsackumulering orsakad av defekter vid vågledargränssnittet. Om dessa enheter inte behandlas kan det ta upp till en dag att stabilisera sig. Men olika metoder utvecklades för att lösa detta problem, såsom att använda metalloxidbeklädnad, substratpolarisering och glödgning, vilket gör detta problem i stort sett hanterbart nu.
Däremot har LTOI färre materialdefekter, vilket leder till avsevärt minskade driftfenomen. Även utan ytterligare bearbetning förblir dess arbetspunkt relativt stabil. Liknande resultat har rapporterats av EPFL, Harvard och Zhejiang University. Men jämförelsen använder ofta obehandlade LNOI-modulatorer, vilket kanske inte är helt rättvist; med bearbetning är prestandan för båda materialen sannolikt lika. Den största skillnaden ligger i att LTOI kräver färre ytterligare bearbetningssteg.

微信图片_20241106165708

Lägre dubbelbrytning: 0,004 vs 0,07
Den höga dubbelbrytningen av litiumniobat (LNOI) kan ibland vara utmanande, särskilt som vågledarböjningar kan orsaka modkoppling och modhybridisering. I tunn LNOI kan en böjning i vågledaren delvis omvandla TE-ljus till TM-ljus, vilket komplicerar tillverkningen av vissa passiva enheter, som filter.
Med LTOI eliminerar den lägre dubbelbrytningen detta problem, vilket potentiellt gör det lättare att utveckla högpresterande passiva enheter. EPFL har också rapporterat anmärkningsvärda resultat, genom att utnyttja LTOI:s låga dubbelbrytning och frånvaro av mod-korsning för att uppnå ultrabredspektrum elektrooptisk frekvenskamgenerering med platt spridningskontroll över ett brett spektralområde. Detta resulterade i en imponerande 450 nm kambandbredd med över 2000 kamlinjer, flera gånger större än vad som kan uppnås med litiumniobat. Jämfört med Kerrs optiska frekvenskammar erbjuder elektrooptiska kammar fördelen att de är tröskelfria och mer stabila, även om de kräver en mikrovågsingång med hög effekt.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Högre tröskel för optisk skada
Den optiska skadetröskeln för LTOI är dubbelt så stor som för LNOI, vilket erbjuder en fördel i olinjära applikationer (och potentiellt framtida Coherent Perfect Absorption (CPO) applikationer). Den nuvarande optiska modulens effektnivåer kommer sannolikt inte att skada litiumniobat.
Låg Raman-effekt
Detta gäller även icke-linjära applikationer. Litiumniobat har en stark Raman-effekt, som i Kerrs optiska frekvenskamapplikationer kan leda till oönskad Raman-ljusgenerering och vinna konkurrens, vilket förhindrar x-cut optiska litiumniobatfrekvenskammar från att nå solitontillståndet. Med LTOI kan Raman-effekten undertryckas genom kristallorienteringsdesign, vilket gör det möjligt för x-cut LTOI att uppnå soliton optisk frekvenskamgenerering. Detta möjliggör monolitisk integration av soliton optiska frekvenskammar med höghastighetsmodulatorer, en bedrift som inte kan uppnås med LNOI.
◆ Varför nämndes inte Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) tidigare?
Litiumtantalat har en lägre Curie-temperatur än litiumniobat (610°C mot 1157°C). Innan utvecklingen av heterointegrationsteknologi (XOI) tillverkades litiumniobatmodulatorer med titandiiffusion, vilket kräver glödgning vid över 1000°C, vilket gör LTOI olämplig. Men med dagens övergång mot att använda isolatorsubstrat och vågledaretsning för modulatorbildning är en Curie-temperatur på 610°C mer än tillräcklig.
◆ Kommer tunnfilmslitiumtantalat (LTOI) att ersätta tunnfilmslitiumniobat (TFLN)?
Baserat på aktuell forskning erbjuder LTOI fördelar i passiv prestanda, stabilitet och storskalig produktionskostnad, utan uppenbara nackdelar. LTOI överträffar dock inte litiumniobat i moduleringsprestanda, och stabilitetsproblem med LNOI har kända lösningar. För kommunikations-DR-moduler finns det minimal efterfrågan på passiva komponenter (och kiselnitrid kan användas om det behövs). Dessutom krävs nya investeringar för att återupprätta etsningsprocesser på wafernivå, heterointegrationstekniker och tillförlitlighetstestning (svårigheten med litiumniobatetsning var inte vågledaren utan att uppnå högutbyte av etsning på wafernivå). För att konkurrera med litiumniobats etablerade position kan LTOI därför behöva avslöja ytterligare fördelar. Akademiskt erbjuder dock LTOI betydande forskningspotential för integrerade on-chip-system, såsom oktavspännande elektrooptiska kammar, PPLT, soliton- och AWG-våglängdsdelningsenheter och arraymodulatorer.


Posttid: 2024-nov-08