Bahan litium tantalat filem nipis (LTOI) muncul sebagai kuasa baharu yang ketara dalam bidang optik bersepadu. Tahun ini, beberapa kajian peringkat tinggi mengenai modulator LTOI telah diterbitkan, dengan wafer LTOI berkualiti tinggi yang disediakan oleh Profesor Xin Ou dari Institut Mikrosistem dan Teknologi Maklumat Shanghai, dan proses pengukiran pandu gelombang berkualiti tinggi yang dibangunkan oleh kumpulan Profesor Kippenberg di EPFL, Switzerland. Usaha kerjasama mereka telah mempamerkan hasil yang mengagumkan. Di samping itu, pasukan penyelidikan dari Universiti Zhejiang yang diketuai oleh Profesor Liu Liu dan Universiti Harvard yang diketuai oleh Profesor Loncar juga telah melaporkan mengenai modulator LTOI berkelajuan tinggi dan kestabilan tinggi.
Sebagai saudara terdekat bagi niobate litium filem nipis (LNOI), LTOI mengekalkan ciri-ciri modulasi berkelajuan tinggi dan kehilangan rendah bagi niobate litium di samping menawarkan kelebihan seperti kos rendah, birefringence rendah dan kesan fotorefraktif yang berkurangan. Perbandingan ciri-ciri utama kedua-dua bahan dibentangkan di bawah.
◆ Persamaan antara Litium Tantalat (LTOI) dan Litium Niobat (LNOI)
①Indeks Biasan:2.12 lawan 2.21
Ini menunjukkan bahawa dimensi pandu gelombang mod tunggal, jejari lenturan dan saiz peranti pasif biasa berdasarkan kedua-dua bahan adalah sangat serupa, dan prestasi gandingan gentiannya juga setanding. Dengan pengukiran pandu gelombang yang baik, kedua-dua bahan boleh mencapai kehilangan sisipan sebanyak<0.1 dB/cm. EPFL melaporkan kehilangan pandu gelombang sebanyak 5.6 dB/m.
②Pekali Elektro-optik:30.5 petang/V lawan 30.9 petang/V
Kecekapan modulasi adalah setanding untuk kedua-dua bahan, dengan modulasi berdasarkan kesan Pockels, yang membolehkan lebar jalur yang tinggi. Pada masa ini, modulator LTOI mampu mencapai prestasi 400G setiap lorong, dengan lebar jalur melebihi 110 GHz.
③Jurang Jalur:3.93 eV berbanding 3.78 eV
Kedua-dua bahan mempunyai tingkap lutsinar yang luas, menyokong aplikasi daripada panjang gelombang yang boleh dilihat hingga inframerah, tanpa penyerapan dalam jalur komunikasi.
④Pekali Tak Linear Tertib Kedua (d33):21 petang/V lawan 27 petang/V
Jika digunakan untuk aplikasi tak linear seperti penjanaan harmonik kedua (SHG), penjanaan frekuensi perbezaan (DFG), atau penjanaan frekuensi jumlah (SFG), kecekapan penukaran kedua-dua bahan tersebut sepatutnya agak serupa.
◆ Kelebihan Kos LTOI berbanding LNOI
①Kos Penyediaan Wafer yang Lebih Rendah
LNOI memerlukan implantasi ion He untuk pemisahan lapisan, yang mempunyai kecekapan pengionan yang rendah. Sebaliknya, LTOI menggunakan implantasi ion H untuk pemisahan, serupa dengan SOI, dengan kecekapan penyamaran lebih 10 kali lebih tinggi daripada LNOI. Ini menghasilkan perbezaan harga yang ketara untuk wafer 6 inci: $300 vs. $2000, pengurangan kos sebanyak 85%.
②Ia telah digunakan secara meluas dalam pasaran elektronik pengguna untuk penapis akustik.(750,000 unit setiap tahun, digunakan oleh Samsung, Apple, Sony, dll.).
◆ Kelebihan Prestasi LTOI vs LNOI
①Kurang Kecacatan Bahan, Kesan Fotorefraktif Lebih Lemah, Lebih Kestabilan
Pada mulanya, modulator LNOI sering menunjukkan hanyutan titik bias, terutamanya disebabkan oleh pengumpulan cas yang disebabkan oleh kecacatan pada antara muka pandu gelombang. Jika tidak dirawat, peranti ini boleh mengambil masa sehingga sehari untuk stabil. Walau bagaimanapun, pelbagai kaedah telah dibangunkan untuk menangani isu ini, seperti menggunakan pelapisan oksida logam, polarisasi substrat dan penyepuhlindapan, menjadikan masalah ini sebahagian besarnya boleh diuruskan sekarang.
Sebaliknya, LTOI mempunyai kecacatan bahan yang lebih sedikit, yang membawa kepada fenomena hanyutan yang berkurangan dengan ketara. Walaupun tanpa pemprosesan tambahan, titik operasinya kekal agak stabil. Keputusan yang serupa telah dilaporkan oleh EPFL, Harvard dan Universiti Zhejiang. Walau bagaimanapun, perbandingan tersebut sering menggunakan modulator LNOI yang tidak dirawat, yang mungkin tidak sepenuhnya adil; dengan pemprosesan, prestasi kedua-dua bahan mungkin serupa. Perbezaan utama terletak pada LTOI yang memerlukan lebih sedikit langkah pemprosesan tambahan.
②Birefringence Lebih Rendah: 0.004 vs 0.07
Birefringence litium niobate (LNOI) yang tinggi kadangkala boleh mencabar, terutamanya kerana selekoh pandu gelombang boleh menyebabkan gandingan mod dan hibridisasi mod. Dalam LNOI nipis, selekoh dalam pandu gelombang boleh menukar sebahagian cahaya TE kepada cahaya TM, sekali gus merumitkan fabrikasi peranti pasif tertentu, seperti penapis.
Dengan LTOI, birefringence yang lebih rendah dapat menghapuskan masalah ini, berpotensi memudahkan pembangunan peranti pasif berprestasi tinggi. EPFL juga telah melaporkan hasil yang ketara, memanfaatkan birefringence LTOI yang rendah dan ketiadaan lintasan mod untuk mencapai penjanaan sikat frekuensi elektro-optik spektrum ultra lebar dengan kawalan penyebaran rata merentasi julat spektrum yang luas. Ini menghasilkan lebar jalur sikat 450 nm yang mengagumkan dengan lebih 2000 garis sikat, beberapa kali lebih besar daripada yang boleh dicapai dengan sikat frekuensi litium niobate. Berbanding dengan sikat frekuensi optik Kerr, sikat elektro-optik menawarkan kelebihan bebas ambang dan lebih stabil, walaupun ia memerlukan input gelombang mikro berkuasa tinggi.
③Ambang Kerosakan Optik yang Lebih Tinggi
Ambang kerosakan optik LTOI adalah dua kali ganda daripada LNOI, menawarkan kelebihan dalam aplikasi tak linear (dan berpotensi aplikasi Penyerapan Sempurna Koheren (CPO) pada masa hadapan). Tahap kuasa modul optik semasa tidak mungkin merosakkan litium niobate.
④Kesan Raman Rendah
Ini juga berkaitan dengan aplikasi tak linear. Litium niobate mempunyai kesan Raman yang kuat, yang dalam aplikasi sikat frekuensi optik Kerr boleh menyebabkan penjanaan cahaya Raman yang tidak diingini dan mendapat persaingan, menghalang sikat frekuensi optik litium niobate potongan-x daripada mencapai keadaan soliton. Dengan LTOI, kesan Raman boleh ditindas melalui reka bentuk orientasi kristal, yang membolehkan LTOI potongan-x mencapai penjanaan sikat frekuensi optik soliton. Ini membolehkan integrasi monolitik sikat frekuensi optik soliton dengan modulator berkelajuan tinggi, satu pencapaian yang tidak dapat dicapai dengan LNOI.
◆ Mengapakah Litium Tantalat Filem Nipis (LTOI) Tidak Disebutkan Sebelum Ini?
Litium tantalat mempunyai suhu Curie yang lebih rendah daripada litium niobate (610°C vs. 1157°C). Sebelum perkembangan teknologi heterointegrasi (XOI), modulator litium niobate dihasilkan menggunakan resapan titanium, yang memerlukan penyepuhlindapan pada suhu lebih 1000°C, menjadikan LTOI tidak sesuai. Walau bagaimanapun, dengan peralihan hari ini ke arah penggunaan substrat penebat dan pengetsaan pandu gelombang untuk pembentukan modulator, suhu Curie 610°C sudah lebih daripada mencukupi.
◆ Adakah Litium Tantalat Filem Nipis (LTOI) Akan Menggantikan Litium Niobat Filem Nipis (TFLN)?
Berdasarkan kajian semasa, LTOI menawarkan kelebihan dalam prestasi pasif, kestabilan dan kos pengeluaran berskala besar, tanpa sebarang kelemahan yang jelas. Walau bagaimanapun, LTOI tidak mengatasi litium niobate dalam prestasi modulasi dan isu kestabilan dengan LNOI mempunyai penyelesaian yang diketahui. Bagi modul DR komunikasi, terdapat permintaan minimum untuk komponen pasif (dan silikon nitrida boleh digunakan jika perlu). Di samping itu, pelaburan baharu diperlukan untuk mewujudkan semula proses pengukiran peringkat wafer, teknik heterointegrasi dan ujian kebolehpercayaan (kesukaran dengan pengukiran litium niobate bukanlah pandu gelombang tetapi mencapai pengukiran peringkat wafer hasil tinggi). Oleh itu, untuk bersaing dengan kedudukan litium niobate yang telah ditetapkan, LTOI mungkin perlu mendedahkan kelebihan selanjutnya. Walau bagaimanapun, secara akademik, LTOI menawarkan potensi penyelidikan yang ketara untuk sistem atas cip bersepadu, seperti sikat elektro-optik yang merangkumi oktaf, PPLT, peranti pembahagian panjang gelombang soliton dan AWG dan modulator tatasusunan.
Masa siaran: 8 Nov-2024