Dunfilm-litiumtantalaat (LTOI): Die volgende stermateriaal vir hoëspoedmodulators?

Dun-film litiumtantalaat (LTOI) materiaal kom na vore as 'n beduidende nuwe krag in die geïntegreerde optiese veld. Vanjaar is verskeie hoëvlakwerke oor LTOI-modulators gepubliseer, met hoëgehalte LTOI-wafers wat verskaf is deur professor Xin Ou van die Sjanghai Instituut vir Mikrostelsel- en Inligtingstegnologie, en hoëgehalte-golfleier-etsprosesse wat ontwikkel is deur professor Kippenberg se groep by EPFL , Switserland. Hul samewerkingspogings het indrukwekkende resultate getoon. Daarbenewens het navorsingspanne van die Zhejiang-universiteit onder leiding van professor Liu Liu en die Harvard-universiteit onder leiding van professor Loncar ook berig oor hoëspoed-, hoëstabiliteit-LTOI-modulators.

As 'n nabye familielid van dunfilm-litiumniobaat (LNOI), behou LTOI die hoëspoedmodulasie- en laeverlies-eienskappe van litiumniobaat, terwyl dit ook voordele bied soos lae koste, lae dubbelbreking en verminderde fotorefraktiewe effekte. 'n Vergelyking van die hoofkenmerke van die twee materiale word hieronder aangebied.

微信图片_20241106164015

◆ Ooreenkomste tussen litiumtantalaat (LTOI) en litiumniobaat (LNOI)
Brekingsindeks:2,12 vs 2,21
Dit impliseer dat die enkelmodus-golfleierafmetings, buigradius en algemene passiewe toestelgroottes gebaseer op beide materiale baie soortgelyk is, en hul veselkoppelingsprestasie is ook vergelykbaar. Met goeie golfleier-ets kan beide materiale 'n invoegverlies van behaal<0,1 dB/cm. EPFL rapporteer 'n golfleierverlies van 5.6 dB/m.

Elektro-optiese koëffisiënt:30.5 nm./V vs 30.9 nm./V
Die modulasiedoeltreffendheid is vergelykbaar vir beide materiale, met modulasie gebaseer op die Pockels-effek, wat hoë bandwydte moontlik maak. Tans is LTOI-modulators in staat om 400G per baanprestasie te behaal, met 'n bandwydte van meer as 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV vs 3,78 eV
Albei materiale het 'n wye deursigtige venster wat toepassings van sigbare tot infrarooi golflengtes ondersteun, met geen absorpsie in die kommunikasiebande nie.

Tweede-orde nie-lineêre koëffisiënt (d33):21 nm/V vs 27 nm/V
As dit gebruik word vir nie-lineêre toepassings soos tweede harmoniese generasie (SHG), verskil-frekwensie generasie (DFG), of som-frekwensie generasie (SFG), moet die omskakelingsdoeltreffendheid van die twee materiale redelik soortgelyk wees.

◆ Kostevoordeel van LTOI vs LNOI
Laer wafelvoorbereidingskoste
LNOI vereis He-ioon-inplanting vir laagskeiding, wat lae ionisasiedoeltreffendheid het. In teenstelling hiermee gebruik LTOI H-ioon-inplanting vir skeiding, soortgelyk aan SOI, met 'n delamineringsdoeltreffendheid meer as 10 keer hoër as LNOI. Dit lei tot 'n beduidende prysverskil vir 6-duim-wafers: $300 vs. $2000, 'n kostevermindering van 85%.

微信图片_20241106165545

Dit word reeds wyd gebruik in die verbruikerselektronikamark vir akoestiese filters(750 000 eenhede jaarliks, gebruik deur Samsung, Apple, Sony, ens.).

微信图片_20241106165539

◆ Prestasievoordele van LTOI vs LNOI
Minder materiaaldefekte, swakker fotorefraktiewe effek, meer stabiliteit
Aanvanklik het LNOI-modulators dikwels voorspanningspuntverdryf getoon, hoofsaaklik as gevolg van ladingakkumulasie wat veroorsaak word deur defekte by die golfleier-koppelvlak. As dit nie behandel word nie, kan hierdie toestelle tot 'n dag neem om te stabiliseer. Verskeie metodes is egter ontwikkel om hierdie probleem aan te spreek, soos die gebruik van metaaloksiedbekleding, substraatpolarisasie en uitgloeiing, wat hierdie probleem nou grootliks hanteerbaar maak.
Daarteenoor het LTOI minder materiële defekte, wat lei tot aansienlik verminderde dryfverskynsels. Selfs sonder bykomende verwerking bly die werkspunt relatief stabiel. Soortgelyke resultate is gerapporteer deur EPFL, Harvard en Zhejiang Universiteit. Die vergelyking gebruik egter dikwels onbehandelde LNOI-modulators, wat dalk nie heeltemal regverdig is nie; met verwerking is die werkverrigting van beide materiale waarskynlik soortgelyk. Die belangrikste verskil lê in LTOI wat minder bykomende verwerkingstappe vereis.

微信图片_20241106165708

Laer dubbelbreking: 0,004 vs 0,07
Die hoë dubbelbreking van litium niobaat (LNOI) kan soms uitdagend wees, veral aangesien golfleierbuigings moduskoppeling en modushibridisasie kan veroorsaak. In dun LNOI kan 'n buiging in die golfleier TE-lig gedeeltelik in TM-lig omskakel, wat die vervaardiging van sekere passiewe toestelle, soos filters, bemoeilik.
Met LTOI skakel die laer dubbelbreking hierdie probleem uit, wat dit moontlik maak om hoëprestasie passiewe toestelle te ontwikkel. EPFL het ook noemenswaardige resultate gerapporteer, deur LTOI se lae dubbelbreking en afwesigheid van moduskruising te benut om ultrawye-spektrum elektro-optiese frekwensie-kamgenerering met plat verspreidingsbeheer oor 'n wye spektrale reeks te bewerkstellig. Dit het gelei tot 'n indrukwekkende 450 nm kambandwydte met meer as 2000 kamlyne, 'n paar keer groter as wat met litiumniobaat bereik kan word. In vergelyking met Kerr optiese frekwensie kamme, bied elektro-optiese kamme die voordeel dat dit drempelvry en meer stabiel is, alhoewel hulle 'n hoë-krag mikrogolfinvoer benodig.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Hoër optiese skadedrempel
Die optiese skadedrempel van LTOI is twee keer dié van LNOI, wat 'n voordeel bied in nie-lineêre toepassings (en moontlik toekomstige Coherent Perfect Absorption (CPO) toepassings). Dit is onwaarskynlik dat die huidige optiese module kragvlakke litiumniobaat sal beskadig.
Lae Raman-effek
Dit het ook betrekking op nie-lineêre toepassings. Litium niobaat het 'n sterk Raman effek, wat in Kerr optiese frekwensie kam toepassings kan lei tot ongewenste Raman lig opwekking en kompetisie verkry, wat verhoed dat x-cut litium niobaat optiese frekwensie kamme die soliton toestand bereik. Met LTOI kan die Raman-effek deur kristaloriëntasie-ontwerp onderdruk word, wat x-cut LTOI toelaat om soliton optiese frekwensie kam generering te bewerkstellig. Dit maak die monolitiese integrasie van soliton optiese frekwensie kamme met hoëspoed modulators moontlik, 'n prestasie wat nie met LNOI bereik kan word nie.
◆ Waarom is dunfilmlitiumtantalaat (LTOI) nie vroeër genoem nie?
Litiumtantalaat het 'n laer Curie-temperatuur as litiumniobaat (610°C vs. 1157°C). Voor die ontwikkeling van hetero-integrasie tegnologie (XOI), is litium niobaat modulators vervaardig met behulp van titanium diffusie, wat uitgloeiing by meer as 1000°C vereis, wat LTOI ongeskik maak. Met vandag se verskuiwing na die gebruik van isolatorsubstrate en golfleier-ets vir modulatorvorming, is 'n 610°C Curie-temperatuur egter meer as voldoende.
◆ Sal dunfilmlitiumtantalaat (LTOI) dunfilmlitiumniobaat (TFLN) vervang?
Gebaseer op huidige navorsing, bied LTOI voordele in passiewe werkverrigting, stabiliteit en grootskaalse produksiekoste, met geen ooglopende nadele nie. LTOI oortref egter nie litiumniobaat in modulasieprestasie nie, en stabiliteitskwessies met LNOI het bekende oplossings. Vir kommunikasie DR-modules is daar minimale aanvraag vir passiewe komponente (en silikonnitried kan gebruik word indien nodig). Boonop word nuwe beleggings vereis om wafelvlak-etsprosesse, hetero-integrasietegnieke en betroubaarheidstoetsing te hervestig (die probleem met litiumniobaat-ets was nie die golfleier nie, maar om hoë-opbrengs wafelvlak-ets te bereik). Om dus met litiumniobaat se gevestigde posisie te kompeteer, sal LTOI dalk verdere voordele moet ontbloot. Akademies bied LTOI egter beduidende navorsingspotensiaal vir geïntegreerde op-skyfie-stelsels, soos oktaafoortrekbare elektro-optiese kamme, PPLT, soliton- en AWG-golflengteverdelingstoestelle, en skikkingsmodulators.


Postyd: Nov-08-2024