Plānās plēves litija tantalāta (LTOI) materiāls kļūst par nozīmīgu jaunu spēku integrētās optikas jomā. Šogad ir publicēti vairāki augsta līmeņa darbi par LTOI modulatoriem, tostarp augstas kvalitātes LTOI plāksnes, ko nodrošinājis profesors Sjins Ou no Šanhajas Mikrosistēmu un informācijas tehnoloģiju institūta, un augstas kvalitātes viļņvadu kodināšanas procesus, ko izstrādājusi profesora Kipenberga grupa EPFL, Šveicē. Viņu kopīgie centieni ir devuši iespaidīgus rezultātus. Turklāt Džedzjanas Universitātes pētnieku komandas profesora Liu Liu vadībā un Hārvardas Universitātes profesora Lonkara vadībā ir ziņojušas arī par ātrdarbīgiem, augstas stabilitātes LTOI modulatoriem.
Kā tuvs litija niobāta (LNOI) radinieks, LTOI saglabā litija niobāta ātrdarbīgo modulāciju un zemo zudumu īpašības, vienlaikus piedāvājot arī tādas priekšrocības kā zemas izmaksas, zema dubultlaušana un samazināti fotorefrakcijas efekti. Zemāk ir sniegts abu materiālu galveno īpašību salīdzinājums.
◆ Litija tantalāta (LTOI) un litija niobāta (LNOI) līdzības
①Refrakcijas indekss:2.12 pret 2.21
Tas nozīmē, ka abu materiālu vienmoda viļņvada izmēri, lieces rādiuss un biežāk sastopamie pasīvo ierīču izmēri ir ļoti līdzīgi, un arī to šķiedru savienojuma veiktspēja ir salīdzināma. Ar labu viļņvada kodināšanu abi materiāli var sasniegt ievietošanas zudumu<0,1 dB/cm. EPFL ziņo par viļņvada zudumiem 5,6 dB/m.
②Elektrooptiskais koeficients:30,5 pm/V pret 30,9 pm/V
Modulācijas efektivitāte abiem materiāliem ir salīdzināma, un modulācija balstās uz Pokelsa efektu, kas nodrošina lielu joslas platumu. Pašlaik LTOI modulatori spēj sasniegt 400 G uz joslu veiktspēju ar joslas platumu, kas pārsniedz 110 GHz.
③Joslas sprauga:3,93 eV pret 3,78 eV
Abiem materiāliem ir plats caurspīdīgs logs, kas atbalsta pielietojumu no redzamā līdz infrasarkanā viļņu garuma diapazonam, bez absorbcijas sakaru joslās.
④Otrās kārtas nelineārais koeficients (d33):21:00/V pret 27:00/V
Ja to izmanto nelineārām lietojumprogrammām, piemēram, otrās harmonikas ģenerēšanai (SHG), diferenciālās frekvences ģenerēšanai (DFG) vai summas frekvences ģenerēšanai (SFG), abu materiālu konversijas efektivitātei jābūt diezgan līdzīgai.
◆ LTOI izmaksu priekšrocība salīdzinājumā ar LNOI
①Zemākas vafeļu sagatavošanas izmaksas
LNOI slāņu atdalīšanai nepieciešama He jonu implantācija, kurai ir zema jonizācijas efektivitāte. Turpretī LTOI atdalīšanai izmanto H jonu implantāciju, līdzīgi kā SOI, ar delaminācijas efektivitāti vairāk nekā 10 reizes augstāku nekā LNOI. Tas rada ievērojamu cenu atšķirību 6 collu plāksnēm: 300 USD pret 2000 USD, kas ir 85% izmaksu samazinājums.
②To jau plaši izmanto plaša patēriņa elektronikas tirgū akustiskajiem filtriem.(750 000 vienību gadā, ko izmanto Samsung, Apple, Sony u. c.).
◆ LTOI un LNOI veiktspējas priekšrocības
①Mazāk materiālu defektu, vājāks fotorefrakcijas efekts, lielāka stabilitāte
Sākotnēji LNOI modulatoriem bieži bija novērojama nobīdes punkta nobīde, galvenokārt lādiņa uzkrāšanās dēļ, ko izraisīja defekti viļņvada saskarnē. Ja šīs ierīces netika apstrādātas, to stabilizēšanās varēja ilgt līdz pat dienai. Tomēr šīs problēmas risināšanai tika izstrādātas dažādas metodes, piemēram, metāla oksīda apšuvuma izmantošana, substrāta polarizācija un atkvēlināšana, padarot šo problēmu lielā mērā risināmu tagad.
Turpretī LTOI ir mazāk materiāla defektu, kas ievērojami samazina dreifa parādības. Pat bez papildu apstrādes tā darbības punkts saglabājas relatīvi stabils. Līdzīgus rezultātus ir ziņojušas EPFL, Hārvarda un Džedzjanas Universitāte. Tomēr salīdzinājumā bieži tiek izmantoti neapstrādāti LNOI modulatori, kas var nebūt pilnīgi godīgi; pēc apstrādes abu materiālu veiktspēja, visticamāk, ir līdzīga. Galvenā atšķirība ir tā, ka LTOI nepieciešams mazāk papildu apstrādes soļu.
②Zemāka dubultlaušana: 0,004 pret 0,07
Litija niobāta (LNOI) augstā dubultlaušanas spēja dažkārt var būt sarežģīta, jo īpaši tāpēc, ka viļņvada līkumi var izraisīt režīmu sasaisti un režīmu hibridizāciju. Plānā LNOI viļņvada līkums var daļēji pārveidot TE gaismu TM gaismā, sarežģot noteiktu pasīvo ierīču, piemēram, filtru, izgatavošanu.
Izmantojot LTOI, zemākā dubultlaušanas spēja novērš šo problēmu, potenciāli atvieglojot augstas veiktspējas pasīvo ierīču izstrādi. Arī EPFL ir ziņojis par ievērojamiem rezultātiem, izmantojot LTOI zemo dubultlaušanas spēju un režīmu šķērsošanas neesamību, lai panāktu īpaši plaša spektra elektrooptiskās frekvenču ķemmes ģenerēšanu ar plakanas dispersijas kontroli plašā spektra diapazonā. Tas radīja iespaidīgu 450 nm ķemmes joslas platumu ar vairāk nekā 2000 ķemmes līnijām, kas ir vairākas reizes lielāks nekā tas, ko var sasniegt ar litija niobātu. Salīdzinot ar Kerra optiskajām frekvenču ķemmēm, elektrooptiskajām ķemmēm ir tāda priekšrocība, ka tās ir bez sliekšņa un stabilākas, lai gan tām ir nepieciešama lielas jaudas mikroviļņu ieeja.
③Augstāks optisko bojājumu slieksnis
LTOI optiskā bojājuma slieksnis ir divreiz lielāks nekā LNOI, kas piedāvā priekšrocības nelineāros pielietojumos (un potenciāli nākotnes koherentās perfektās absorbcijas (CPO) pielietojumos). Pašreizējie optisko moduļu jaudas līmeņi, visticamāk, nebojās litija niobātu.
④Zems Ramana efekts
Tas attiecas arī uz nelineāriem pielietojumiem. Litija niobātam ir spēcīgs Ramana efekts, kas Kerra optisko frekvenču ķemmes pielietojumos var izraisīt nevēlamu Ramana gaismas ģenerēšanu un iegūt konkurenci, neļaujot X-grieztām litija niobāta optiskajām frekvenču ķemmēm sasniegt solitona stāvokli. Izmantojot LTOI, Ramana efektu var nomākt, izmantojot kristāla orientācijas dizainu, ļaujot X-grieztai LTOI panākt solitona optisko frekvenču ķemmes ģenerēšanu. Tas ļauj monolīti integrēt solitona optiskās frekvenču ķemmes ar ātrgaitas modulatoriem, kas nav sasniedzams ar LNOI.
◆ Kāpēc iepriekš netika pieminēts plānslāņu litija tantalāts (LTOI)?
Litija tantalātam ir zemāka Kirī temperatūra nekā litija niobātam (610 °C pret 1157 °C). Pirms heterointegrācijas tehnoloģijas (XOI) izstrādes litija niobāta modulatori tika ražoti, izmantojot titāna difūziju, kas prasa atkvēlināšanu virs 1000 °C, padarot LTOI nepiemērotu. Tomēr, ņemot vērā mūsdienu pāreju uz izolatoru substrātu izmantošanu un viļņvadu kodināšanu modulatoru veidošanai, 610 °C Kirī temperatūra ir vairāk nekā pietiekama.
◆ Vai plānkārtiņas litija tantalāts (LTOI) aizstās plānkārtiņas litija niobātu (TFLN)?
Balstoties uz pašreizējiem pētījumiem, LTOI piedāvā priekšrocības pasīvās veiktspējas, stabilitātes un liela mēroga ražošanas izmaksu ziņā, bez acīmredzamiem trūkumiem. Tomēr LTOI nepārspēj litija niobātu modulācijas veiktspējas ziņā, un LNOI stabilitātes problēmām ir zināmi risinājumi. Komunikāciju DR moduļiem ir minimāls pieprasījums pēc pasīvajiem komponentiem (un, ja nepieciešams, varētu izmantot silīcija nitrīdu). Turklāt ir nepieciešamas jaunas investīcijas, lai atjaunotu plākšņu līmeņa kodināšanas procesus, heterointegrācijas metodes un uzticamības testēšanu (grūtības ar litija niobāta kodināšanu nebija viļņvads, bet gan augstas ražības plākšņu līmeņa kodināšanas sasniegšana). Tāpēc, lai konkurētu ar litija niobāta iedibināto pozīciju, LTOI, iespējams, būs jāatklāj papildu priekšrocības. Tomēr akadēmiskā ziņā LTOI piedāvā ievērojamu pētniecības potenciālu integrētām mikroshēmu sistēmām, piemēram, oktāvas aptverošām elektrooptiskām ķemmēm, PPLT, solitonu un AWG viļņu garuma dalīšanas ierīcēm un masīvu modulatoriem.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 8. novembris