Танкослојни материјал литијум танталата (LTOI) појављује се као значајна нова снага у области интегрисане оптике. Ове године објављено је неколико висококвалитетних радова о LTOI модулаторима, са висококвалитетним LTOI плочицама које је обезбедио професор Син Оу из Шангајског института за микросистеме и информационе технологије, и висококвалитетним процесима нагризања таласовода које је развила група професора Кипенберга на EPFL-у у Швајцарској. Њихови заједнички напори показали су импресивне резултате. Поред тога, истраживачки тимови са Универзитета Џеђанг, предвођени професором Лиу Лиуом и Универзитета Харвард, предвођени професором Лончаром, такође су известили о брзим, високостабилним LTOI модулаторима.
Као блиски рођак танкослојног литијум ниобата (LNOI), LTOI задржава карактеристике брзе модулације и малих губитака литијум ниобата, а истовремено нуди предности као што су ниска цена, ниско двопреламање и смањени фоторефрактивни ефекти. Поређење главних карактеристика ова два материјала је дато у наставку.
◆ Сличности између литијум танталата (LTOI) и литијум ниобата (LNOI)
①Индекс преламања:2,12 наспрам 2,21
То имплицира да су димензије једномодног таласовода, радијус савијања и уобичајене величине пасивних уређаја засноване на оба материјала веома сличне, а њихове перформансе спрезања влакана су такође упоредиве. Уз добро нагризање таласовода, оба материјала могу постићи губитак уметања<0,1 dB/cm. EPFL извештава о губитку таласовода од 5,6 dB/m.
2Електрооптички коефицијент:30,5 pm/V у односу на 30,9 pm/V
Ефикасност модулације је упоредива за оба материјала, при чему је модулација заснована на Покелсовом ефекту, што омогућава велики пропусни опсег. Тренутно, LTOI модулатори су способни да постигну перформансе од 400G по линији, са пропусним опсегом који прелази 110 GHz.
3Засег опсега:3,93 еВ у односу на 3,78 еВ
Оба материјала имају широк провидни прозор, подржавајући примене од видљивих до инфрацрвених таласних дужина, без апсорпције у комуникационим опсезима.
④Нелинеарни коефицијент другог реда (d33):21:00/V u odnosu na 27:00/V
Ако се користи за нелинеарне примене као што су генерисање другог хармоника (SHG), генерисање разлике фреквенције (DFG) или генерисање збирне фреквенције (SFG), ефикасност конверзије ова два материјала требало би да буде прилично слична.
◆ Трошковна предност LTOI у односу на LNOI
①Нижи трошкови припреме вафла
LNOI захтева имплантацију He јона за раздвајање слојева, што има ниску ефикасност јонизације. Насупрот томе, LTOI користи имплантацију H јона за раздвајање, слично SOI, са ефикасношћу деламинације преко 10 пута већом од LNOI. Ово резултира значајном разликом у цени за плочице од 6 инча: 300 долара у односу на 2000 долара, што је смањење трошкова од 85%.
2Већ се широко користи на тржишту потрошачке електронике за акустичне филтере(750.000 јединица годишње, користе их Samsung, Apple, Sony итд.).
◆ Предности перформанси LTOI у односу на LNOI
①Мање материјалних дефеката, слабији фоторефрактивни ефекат, већа стабилност
У почетку, LNOI модулатори су често показивали померање тачке преднапона, првенствено због акумулације наелектрисања изазване дефектима на интерфејсу таласовода. Ако се не третирају, овим уређајима је могло бити потребно и до једног дана да се стабилизују. Међутим, развијене су различите методе за решавање овог проблема, као што је коришћење облагања металним оксидом, поларизација подлоге и жарење, што овај проблем сада чини углавном управљивим.
Насупрот томе, LTOI има мање материјалних дефеката, што доводи до значајно смањеног феномена дрифта. Чак и без додатне обраде, његова радна тачка остаје релативно стабилна. Сличне резултате су објавили EPFL, Харвард и Универзитет Џеђанг. Међутим, поређење често користи необрађене LNOI модулаторе, што можда није сасвим фер; уз обраду, перформансе оба материјала су вероватно сличне. Главна разлика лежи у томе што LTOI захтева мање додатних корака обраде.
2Нижа дволомност: 0,004 наспрам 0,07
Високо двопреламање литијум ниобата (LNOI) може понекад бити изазовно, посебно зато што савијања таласовода могу изазвати спрезање модова и хибридизацију модова. Код танког LNOI, савијање у таласоводу може делимично претворити TE светлост у TM светлост, што компликује израду одређених пасивних уређаја, попут филтера.
Са LTOI, ниже двопреламање елиминише овај проблем, што потенцијално олакшава развој пасивних уређаја високих перформанси. EPFL је такође објавио значајне резултате, користећи ниско двопреламање LTOI-ја и одсуство укрштања модова како би се постигло генерисање електрооптичког фреквентног чешља ултрашироког спектра са равном контролом дисперзије у широком спектралном опсегу. Ово је резултирало импресивним пропусним опсегом чешља од 450 nm са преко 2000 линија чешља, неколико пута већим од онога што се може постићи са литијум ниобатом. У поређењу са Kerr оптичким фреквентним чешљевима, електрооптички чешљеви нуде предност што су без прага и стабилнији, иако захтевају микроталасни улаз велике снаге.
3Виши праг оптичког оштећења
Праг оптичког оштећења код LTOI је двоструко већи од прага LNOI, што нуди предност у нелинеарним применама (и потенцијално будућим применама кохерентне савршене апсорпције (CPO)). Тренутни нивои снаге оптичких модула вероватно неће оштетити литијум ниобат.
④Низак Раманов ефекат
Ово се такође односи на нелинеарне примене. Литијум-ниобат има јак Раманов ефекат, који у применама Керовог оптичког фреквентног чешља може довести до нежељеног Рамановог стварање светлости и конкуренције појачања, спречавајући x-cut оптичке фреквентне чешљеве литијум-ниобата да достигну солитонско стање. Са LTOI, Раманов ефекат се може потиснути дизајном оријентације кристала, омогућавајући x-cut LTOI да постигне генерисање солитонског оптичког фреквентног чешља. Ово омогућава монолитну интеграцију солитонских оптичких фреквентних чешљева са модулаторима велике брзине, што није могуће постићи са LNOI.
◆ Зашто раније није поменут танкослојни литијум танталат (LTOI)?
Литијум танталат има нижу Киријеву температуру од литијум ниобата (610°C у односу на 1157°C). Пре развоја технологије хетероинтеграције (XOI), модулатори литијум ниобата су произведени коришћењем дифузије титанијума, што захтева жарење на преко 1000°C, што чини LTOI непогодним. Међутим, са данашњим помаком ка коришћењу изолаторских подлога и нагризању таласовода за формирање модулатора, Киријева температура од 610°C је више него довољна.
◆ Хоће ли танкослојни литијум танталат (LTOI) заменити танкослојни литијум ниобат (TFLN)?
На основу тренутних истраживања, LTOI нуди предности у пасивним перформансама, стабилности и трошковима производње великих размера, без очигледних недостатака. Међутим, LTOI не превазилази литијум ниобат у перформансама модулације, а проблеми са стабилношћу код LNOI имају позната решења. За комуникационе DR модуле, постоји минимална потражња за пасивним компонентама (а силицијум нитрид би се могао користити ако је потребно). Поред тога, потребна су нова улагања како би се поново успоставили процеси нагризања на нивоу плочице, технике хетероинтеграције и тестирање поузданости (тешкоћа са нагризањем литијум ниобата није био таласовод, већ постизање високоприносног нагризања на нивоу плочице). Стога, да би се такмичио са успостављеном позицијом литијум ниобата, LTOI ће можда морати да открије даље предности. Академски, међутим, LTOI нуди значајан истраживачки потенцијал за интегрисане системе на чипу, као што су електрооптички чешљеви који обухватају октаве, PPLT, солитонски и AWG уређаји за поделу таласних дужина и модулатори низова.
Време објаве: 08.11.2024.