Tantalate litium filem nipis (LTOI): Bahan Bintang Seterusnya untuk Modulator Kelajuan Tinggi?

Bahan litium tantalate filem nipis (LTOI) muncul sebagai kuasa baharu yang ketara dalam bidang optik bersepadu. Pada tahun ini, beberapa kerja peringkat tinggi pada modulator LTOI telah diterbitkan, dengan wafer LTOI berkualiti tinggi yang disediakan oleh Profesor Xin Ou dari Institut Mikrosistem dan Teknologi Maklumat Shanghai, dan proses etsa pandu gelombang berkualiti tinggi yang dibangunkan oleh kumpulan Profesor Kippenberg di EPFL , Switzerland. Usaha kerjasama mereka telah mempamerkan hasil yang mengagumkan. Selain itu, pasukan penyelidik dari Universiti Zhejiang yang diketuai oleh Profesor Liu Liu dan Universiti Harvard yang diketuai oleh Profesor Loncar juga telah melaporkan tentang modulator LTOI berkelajuan tinggi dan kestabilan tinggi.

Sebagai saudara terdekat litium niobate filem nipis (LNOI), LTOI mengekalkan modulasi berkelajuan tinggi dan ciri kehilangan rendah litium niobate sambil turut menawarkan kelebihan seperti kos rendah, birefringence rendah dan kesan fotorefraktif yang dikurangkan. Perbandingan ciri utama kedua-dua bahan dibentangkan di bawah.

微信图片_20241106164015

◆ Persamaan antara Lithium Tantalate (LTOI) dan Lithium Niobate (LNOI)
Indeks Biasan:2.12 lwn 2.21
Ini menunjukkan bahawa dimensi pandu gelombang mod tunggal, jejari lentur dan saiz peranti pasif biasa berdasarkan kedua-dua bahan adalah sangat serupa, dan prestasi gandingan gentiannya juga boleh dibandingkan. Dengan etsa pandu gelombang yang baik, kedua-dua bahan boleh mencapai kehilangan sisipan<0.1 dB/sm. EPFL melaporkan kehilangan pandu gelombang 5.6 dB/m.

Pekali Elektrooptik:30.5 ptg/V lwn 30.9 ptg/V
Kecekapan modulasi adalah setanding untuk kedua-dua bahan, dengan modulasi berdasarkan kesan Pockels, membolehkan lebar jalur yang tinggi. Pada masa ini, modulator LTOI mampu mencapai prestasi 400G setiap lorong, dengan lebar jalur melebihi 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3.93 eV lwn 3.78 eV
Kedua-dua bahan mempunyai tetingkap lutsinar yang luas, menyokong aplikasi daripada panjang gelombang yang boleh dilihat kepada inframerah, tanpa penyerapan dalam jalur komunikasi.

Pekali Tak Linear Tertib Kedua (d33):21 malam/V vs 27 malam/V
Jika digunakan untuk aplikasi bukan linear seperti penjanaan harmonik kedua (SHG), penjanaan kekerapan perbezaan (DFG), atau penjanaan frekuensi jumlah (SFG), kecekapan penukaran kedua-dua bahan haruslah agak serupa.

◆ Kelebihan Kos LTOI lwn LNOI
Kos Penyediaan Wafer Rendah
LNOI memerlukan implantasi ion He untuk pemisahan lapisan, yang mempunyai kecekapan pengionan yang rendah. Sebaliknya, LTOI menggunakan implantasi ion H untuk pengasingan, serupa dengan SOI, dengan kecekapan delaminasi lebih 10 kali lebih tinggi daripada LNOI. Ini menghasilkan perbezaan harga yang ketara untuk wafer 6 inci: $300 berbanding $2000, pengurangan kos sebanyak 85%.

微信图片_20241106165545

Ia telah digunakan secara meluas dalam pasaran elektronik pengguna untuk penapis akustik(750,000 unit setiap tahun, digunakan oleh Samsung, Apple, Sony, dll.).

微信图片_20241106165539

◆ Kelebihan Prestasi LTOI lwn LNOI
Kurang Kecacatan Bahan, Kesan Fotorefraktif Lebih Lemah, Lebih Kestabilan
Pada mulanya, modulator LNOI sering mempamerkan drift titik berat sebelah, 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 menjadi 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 diurus sekarang.
Sebaliknya, LTOI mempunyai lebih sedikit kecacatan material, yang membawa kepada pengurangan fenomena hanyut dengan ketara. Walaupun tanpa pemprosesan tambahan, titik operasinya kekal stabil. Keputusan yang sama telah dilaporkan oleh EPFL, Harvard, dan Universiti Zhejiang. Walau bagaimanapun, perbandingan sering menggunakan modulator LNOI yang tidak dirawat, yang mungkin tidak adil sepenuhnya; dengan pemprosesan, prestasi kedua-dua bahan mungkin serupa. Perbezaan utama terletak pada LTOI yang memerlukan lebih sedikit langkah pemprosesan tambahan.

微信图片_20241106165708

Birefringence Rendah: 0.004 lwn 0.07
Birefringence tinggi litium niobate (LNOI) boleh mencabar pada masa-masa tertentu, terutamanya kerana lenturan pandu gelombang boleh menyebabkan gandingan mod dan hibridisasi mod. Dalam LNOI nipis, selekoh dalam pandu gelombang boleh menukar sebahagian cahaya TE kepada cahaya TM, merumitkan pembikinan peranti pasif tertentu, seperti penapis.
Dengan LTOI, birefringence yang lebih rendah menghapuskan isu ini, yang berpotensi menjadikannya lebih mudah untuk membangunkan peranti pasif berprestasi tinggi. EPFL juga telah melaporkan hasil yang ketara, memanfaatkan birefringens rendah LTOI 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 garisan sikat, beberapa kali lebih besar daripada apa yang boleh dicapai dengan 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.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Ambang Kerosakan Optik yang Lebih Tinggi
Ambang kerosakan optik LTOI adalah dua kali ganda daripada LNOI, menawarkan kelebihan dalam aplikasi tak linear (dan kemungkinan aplikasi Coherent Perfect Absorption (CPO) pada masa hadapan). Tahap kuasa modul optik semasa tidak mungkin merosakkan litium niobate.
Kesan Raman Rendah
Ini juga berkaitan dengan aplikasi tak linear. Litium niobate mempunyai kesan Raman yang kuat, yang dalam aplikasi sikat frekuensi optik Kerr boleh membawa kepada penjanaan cahaya Raman yang tidak diingini dan mendapat persaingan, menghalang sikat frekuensi optik litium niobate x-cut daripada mencapai keadaan soliton. Dengan LTOI, kesan Raman boleh ditindas melalui reka bentuk orientasi kristal, membolehkan LTOI potong x mencapai penjanaan sikat frekuensi optik soliton. Ini membolehkan penyepaduan monolitik sikat frekuensi optik soliton dengan modulator berkelajuan tinggi, satu pencapaian yang tidak boleh dicapai dengan LNOI.
◆ Mengapa Filem Nipis Lithium Tantalate (LTOI) Tidak Disebutkan Terdahulu?
Litium tantalat mempunyai suhu Curie yang lebih rendah daripada litium niobate (610°C berbanding 1157°C). Sebelum pembangunan teknologi heterointegrasi (XOI), modulator litium niobate telah dihasilkan menggunakan penyebaran titanium, yang memerlukan penyepuhlindapan pada lebih 1000°C, menjadikan LTOI tidak sesuai. Walau bagaimanapun, dengan peralihan hari ini ke arah menggunakan substrat penebat dan etsa pandu gelombang untuk pembentukan modulator, suhu Curie 610°C adalah lebih daripada mencukupi.
◆ Adakah Filem Nipis Lithium Tantalate (LTOI) Menggantikan Litium Niobate Filem Nipis (TFLN)?
Berdasarkan penyelidikan semasa, LTOI menawarkan kelebihan dalam prestasi pasif, kestabilan dan kos pengeluaran berskala besar, tanpa kelemahan yang jelas. Walau bagaimanapun, LTOI tidak mengatasi litium niobate dalam prestasi modulasi, dan isu kestabilan dengan LNOI telah diketahui penyelesaiannya. Untuk modul DR komunikasi, terdapat permintaan minimum untuk komponen pasif (dan silikon nitrida boleh digunakan jika perlu). Selain itu, pelaburan baharu diperlukan untuk mewujudkan semula proses goresan peringkat wafer, teknik heterointegrasi dan ujian kebolehpercayaan (kesukaran dengan goresan litium niobate bukanlah pandu gelombang tetapi mencapai goresan peringkat wafer hasil tinggi). Oleh itu, untuk bersaing dengan kedudukan sedia ada lithium niobate, LTOI mungkin perlu mendedahkan kelebihan selanjutnya. Walau bagaimanapun, dari segi akademik, LTOI menawarkan potensi penyelidikan yang ketara untuk sistem pada cip bersepadu, seperti sikat elektro-optik yang menjangkau oktaf, peranti pembahagian panjang gelombang PPLT, soliton dan AWG, dan modulator tatasusunan.


Masa siaran: Nov-08-2024