Tunnfilmslitiumtantalat (LTOI)-material framträder som en betydande ny kraft inom integrerad optik. I år har flera högkvalitativa arbeten om LTOI-modulatorer publicerats, med högkvalitativa LTOI-wafers från 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 imponerande resultat. Dessutom har forskargrupper från Zhejiang University, ledda av professor Liu Liu, och Harvard University, ledda av professor Loncar, också rapporterat om höghastighets- och högstabilitets-LTOI-modulatorer.
Som en nära släkting till tunnfilmslitiumniobat (LNOI) behåller LTOI litiumniobats höghastighetsmodulering och låga förlustegenskaper, samtidigt som det erbjuder fördelar som låg kostnad, låg dubbelbrytning och minskade fotorefraktiva effekter. En jämförelse av de två materialens huvudegenskaper presenteras nedan.
◆ Likheter mellan litiumtantalat (LTOI) och litiumniobat (LNOI)
①Brytningsindex:2.12 mot 2.21
Detta innebär att dimensionerna, böjningsradien och vanliga passiva enhetsstorlekar för enlägesvågledare baserade på båda materialen är mycket lika, och deras fiberkopplingsprestanda är också jämförbar. Med god vågledaretsning kan båda materialen uppnå en insättningsförlust på<0,1 dB/cm. EPFL rapporterar en vågledarförlust på 5,6 dB/m.
②Elektrooptisk koefficient:30,5 pm/V jämfört med 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 prestanda på 400G per fil, med en bandbredd som överstiger 110 GHz.
③Bandgap:3,93 eV mot 3,78 eV
Båda materialen har ett brett transparent fönster som stöder tillämpningar från synliga till infraröda våglängder, utan absorption i kommunikationsbanden.
④Andra ordningens ickelinjär koefficient (d33):14:00/V mot 12:00/V
Om de används för icke-linjära tillämpningar såsom andra harmonisk generation (SHG), skillnadsfrekvensgenerering (DFG) eller sumfrekvensgenerering (SFG), bör omvandlingseffektiviteten för de två materialen vara ganska lika.
◆ Kostnadsfördel med LTOI kontra LNOI
①Lägre kostnad för waferberedning
LNOI kräver He-jonimplantation för lagerseparation, 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 dollar jämfört med 2000 dollar, en kostnadsminskning på 85 %.
②Det används redan flitigt på konsumentelektronikmarknaden för akustiska filter.(750 000 enheter årligen, används av Samsung, Apple, Sony etc.).
◆ Prestandafördelar med LTOI kontra LNOI
①Färre materialdefekter, svagare fotorefraktiv effekt, mer stabilitet
Ursprungligen uppvisade LNOI-modulatorer ofta biaspunktsdrift, främst på grund av laddningsackumulering orsakad av defekter vid vågledargränssnittet. Om dessa enheter inte behandlades kunde det ta upp till en dag att stabilisera sig. Emellertid utvecklades olika metoder för att åtgärda detta problem, såsom användning av metalloxidbeklädnad, substratpolarisering och glödgning, vilket gör detta problem till stor del hanterbart nu.
Däremot har LTOI färre materialdefekter, vilket leder till betydligt minskade driftfenomen. Även utan ytterligare bearbetning förblir dess driftspunkt relativt stabil. Liknande resultat har rapporterats av EPFL, Harvard och Zhejiang University. Jämförelsen använder dock ofta obehandlade LNOI-modulatorer, vilket kanske inte är helt rättvist; med bearbetning är prestandan hos båda materialen sannolikt likartad. Den största skillnaden ligger i att LTOI kräver färre ytterligare bearbetningssteg.
②Lägre dubbelbrytning: 0,004 vs 0,07
Den höga dubbelbrytningen hos litiumniobat (LNOI) kan vara utmanande ibland, särskilt eftersom 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 komponenter, som filter.
Med LTOI eliminerar den lägre dubbelbrytningen detta problem, vilket potentiellt gör det enklare att utveckla högpresterande passiva komponenter. EPFL har också rapporterat anmärkningsvärda resultat, där de utnyttjar LTOI:s låga dubbelbrytning och avsaknad av modkorsning för att uppnå ultrabrett spektrum av elektrooptiska frekvenskamgenerering med platt dispersionskontroll över ett brett spektralområde. Detta resulterade i en imponerande kambandbredd på 450 nm 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 högeffektsmikrovågsingång.
③Högre tröskelvärde för optisk skada
Tröskelvärdet för optiska skador hos LTOI är dubbelt så högt som för LNOI, vilket ger en fördel i icke-linjära tillämpningar (och potentiellt framtida CPO-tillämpningar (Coherent Perfect Absorption). Nuvarande effektnivåer hos optiska moduler kommer sannolikt inte att skada litiumniobat.
④Låg Raman-effekt
Detta gäller även icke-linjära tillämpningar. Litiumniobat har en stark Raman-effekt, vilket i Kerr-applikationer med optiska frekvenskam kan leda till oönskad Raman-ljusgenerering och vinna konkurrens, vilket förhindrar att x-skurna litiumniobat-optiska frekvenskammar når solitontillståndet. Med LTOI kan Raman-effekten undertryckas genom kristallorienteringsdesign, vilket gör att x-skuren LTOI kan uppnå soliton-optisk frekvenskamgenerering. Detta möjliggör monolitisk integration av soliton-optiska frekvenskammar med höghastighetsmodulatorer, en prestation som inte kan uppnås med LNOI.
◆ Varför nämndes inte tunnfilmslitiumtantalat (LTOI) tidigare?
Litiumtantalat har en lägre Curietemperatur än litiumniobat (610 °C jämfört med 1157 °C). Före utvecklingen av heterointegrationsteknik (XOI) tillverkades litiumniobatmodulatorer med titandiffusion, vilket kräver glödgning vid över 1000 °C, vilket gör LTOI olämplig. Men med dagens övergång till att använda isolatorsubstrat och vågledaretsning för modulatorbildning är en Curietemperatur på 610 °C mer än tillräcklig.
◆ Kommer tunnfilmslitiumtantalat (LTOI) att ersätta tunnfilmslitiumniobat (TFLN)?
Baserat på aktuell forskning erbjuder LTOI fördelar vad gäller passiv prestanda, stabilitet och storskalig produktionskostnad, utan några uppenbara nackdelar. LTOI överträffar dock inte litiumniobat vad gäller moduleringsprestanda, och stabilitetsproblem med LNOI har kända lösningar. För kommunikations-DR-moduler finns det minimal efterfrågan på passiva komponenter (och kiselnitrid kan användas vid behov). Dessutom krävs nya investeringar för att återupprätta etsningsprocesser på wafernivå, heterointegrationstekniker och tillförlitlighetstestning (svårigheten med litiumniobatetsning var inte vågledaren utan att uppnå högavkastande etsning på wafernivå). För att kunna konkurrera med litiumniobats etablerade position kan LTOI därför behöva upptäcka ytterligare fördelar. Akademiskt erbjuder LTOI dock betydande forskningspotential för integrerade system på chip, såsom oktavomspännande elektrooptiska kammar, PPLT, soliton- och AWG-våglängdsdelningsenheter och arraymodulatorer.
Publiceringstid: 8 november 2024