Plānās kārtiņas litija tantalāts (LTOI): nākamais zvaigžņu materiāls ātrgaitas modulatoriem?

Plānas kārtiņas litija tantalāta (LTOI) materiāls kļūst par nozīmīgu jaunu spēku integrētajā optikas jomā. Šogad ir publicēti vairāki augsta līmeņa darbi par LTOI modulatoriem, ar augstas kvalitātes LTOI vafelēm, ko nodrošina profesors Xin Ou no Šanhajas Mikrosistēmu un informācijas tehnoloģiju institūta, un augstas kvalitātes viļņvada kodināšanas procesiem, ko izstrādājusi profesora Kippenberga grupa EPFL. , Šveice. Viņu kopīgie centieni ir parādījuši iespaidīgus rezultātus. Turklāt Džedzjanas universitātes pētnieku grupas, ko vadīja profesors Liu Liu un Hārvardas universitāte, kuru vadīja profesors Lonkars, ir ziņojušas arī par ātrgaitas, augstas stabilitātes LTOI modulatoriem.

Kā plānslāņa litija niobāta (LNOI) tuvs radinieks LTOI saglabā litija niobāta ātrgaitas modulācijas un zemu zudumu īpašības, vienlaikus piedāvājot arī tādas priekšrocības kā zemas izmaksas, zema divējāda laušana un samazināti fotorefrakcijas efekti. Tālāk ir sniegts abu materiālu galveno īpašību salīdzinājums.

微信图片_20241106164015

◆ Līdzības starp litija tantalātu (LTOI) un litija niobātu (LNOI)
Refrakcijas indekss:2,12 pret 2,21
Tas nozīmē, ka viena režīma viļņvada izmēri, lieces rādiuss un kopīgie pasīvās ierīces izmēri, kuru pamatā ir abi materiāli, ir ļoti līdzīgi, un arī to šķiedru savienojuma veiktspēja ir salīdzināma. Ar labu viļņvada kodināšanu abi materiāli var panākt ievietošanas zudumu<0,1 dB/cm. EPFL ziņo par viļņvada zudumu 5,6 dB/m.

Elektrooptiskais koeficients:30,5 pm/V pret 30,9 pm/V
Modulācijas efektivitāte ir salīdzināma abiem materiāliem ar modulāciju, kuras pamatā ir Pockels efekts, kas nodrošina lielu joslas platumu. Pašlaik LTOI modulatori spēj sasniegt 400 G vienā joslā ar joslas platumu, kas pārsniedz 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV pret 3,78 eV
Abiem materiāliem ir plašs caurspīdīgs logs, kas atbalsta lietojumus no redzamā līdz infrasarkanā viļņa garumam, bez absorbcijas sakaru joslās.

Otrās kārtas nelineārais koeficients (d33):21:00/V pret 27:00/V
Ja tos izmanto nelineāriem lietojumiem, piemēram, otrās harmonikas paaudzes (SHG), starpības frekvenču ģenerēšanai (DFG) vai summārās frekvences ģenerēšanai (SFG), abu materiālu konversijas efektivitātei jābūt diezgan līdzīgai.

◆ LTOI izmaksu priekšrocības salīdzinājumā ar LNOI
Zemākas vafeļu sagatavošanas izmaksas
LNOI nepieciešama He jonu implantācija slāņu atdalīšanai, kam ir zema jonizācijas efektivitāte. Turpretim LTOI izmanto H jonu implantāciju atdalīšanai, līdzīgi kā SOI, ar atslāņošanās efektivitāti, kas ir vairāk nekā 10 reizes lielāka nekā LNOI. Tas rada ievērojamu cenu starpību 6 collu vafelēm: $ 300 pret $ 2000, izmaksu samazinājums par 85%.

微信图片_20241106165545

To jau plaši izmanto plaša patēriņa elektronikas tirgū akustiskajiem filtriem(750 000 vienību gadā, izmanto Samsung, Apple, Sony utt.).

微信图片_20241106165539

◆ LTOI veiktspējas priekšrocības salīdzinājumā ar LNOI
Mazāk materiālu defektu, vājāks fotorefrakcijas efekts, lielāka stabilitāte
Sākotnēji LNOI modulatoriem bieži bija nobīdes punkta novirze, galvenokārt lādiņa uzkrāšanās dēļ, ko izraisīja defekti viļņvada saskarnē. Ja šīs ierīces netiek ārstētas, tās var stabilizēties līdz pat dienai. Tomēr šīs problēmas risināšanai tika izstrādātas dažādas metodes, piemēram, izmantojot metāla oksīda apšuvumu, substrāta polarizāciju un atkausēšanu, padarot šo problēmu lielā mērā pārvaldāmu tagad.
Turpretim LTOI ir mazāk materiālu defektu, kas ievērojami samazina novirzes parādības. Pat bez papildu apstrādes tā darbības punkts saglabājas samērā stabils. Līdzīgus rezultātus ir ziņojusi EPFL, Hārvarda un Džedzjanas universitāte. Tomēr salīdzināšanā bieži tiek izmantoti neapstrādāti LNOI modulatori, kas var nebūt pilnīgi godīgi; apstrādājot, abu materiālu veiktspēja, visticamāk, ir līdzīga. Galvenā atšķirība ir tajā, ka LTOI ir nepieciešams mazāk papildu apstrādes darbību.

微信图片_20241106165708

Zemākā divkāršā laušana: 0,004 pret 0,07
Litija niobāta (LNOI) augstā divkāršā laušana dažkārt var būt sarežģīta, jo īpaši tāpēc, ka viļņvada līkumi var izraisīt režīmu savienošanu un režīmu hibridizāciju. Plānā LNOI viļņvada līkums var daļēji pārvērst TE gaismu TM gaismā, sarežģījot noteiktu pasīvo ierīču, piemēram, filtru, izgatavošanu.
Izmantojot LTOI, zemāka divkāršā laušana novērš šo problēmu, iespējams, atvieglojot augstas veiktspējas pasīvo ierīču izstrādi. EPFL ir arī ziņojis par ievērojamiem rezultātiem, izmantojot LTOI zemo dubulto lūzumu un režīmu krustošanās neesamību, lai panāktu īpaši plaša spektra elektrooptiskās frekvences ķemmes ģenerēšanu ar plakanu dispersijas kontroli plašā spektra diapazonā. Tā rezultātā tika iegūts iespaidīgs 450 nm ķemmes joslas platums ar vairāk nekā 2000 ķemmes līnijām, kas ir vairākas reizes lielākas nekā tas, ko var sasniegt ar litija niobātu. Salīdzinot ar Kerr optiskās frekvences ķemmēm, elektrooptiskās ķemmes piedāvā priekšrocības, jo tās ir bez sliekšņa un ir stabilākas, lai gan tām ir nepieciešama liela jaudas mikroviļņu ieeja.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Augstāks optisko bojājumu slieksnis
LTOI optiskā bojājuma slieksnis ir divreiz lielāks nekā LNOI, piedāvājot priekšrocības nelineāros lietojumos (un, iespējams, turpmākajos Koherent Perfect Absorption (CPO) lietojumos). Pašreizējie optiskā moduļa jaudas līmeņi, visticamāk, nesabojās litija niobātu.
Zems Ramana efekts
Tas attiecas arī uz nelineāriem lietojumiem. Litija niobātam ir spēcīgs Ramana efekts, kas Kerr optiskās frekvences ķemmes lietojumos var izraisīt nevēlamu Ramana gaismas veidošanos un iegūt konkurenci, neļaujot x-cut litija niobāta optiskās frekvences ķemmēm sasniegt solitona stāvokli. Izmantojot LTOI, Ramana efektu var nomākt, izmantojot kristāla orientācijas dizainu, ļaujot x-cut LTOI panākt soliton optiskās frekvences ķemmes ģenerēšanu. Tas ļauj monolīti integrēt soliton optiskās frekvences ķemmes ar ātrgaitas modulatoriem, kas nav sasniedzams ar LNOI.
◆ Kāpēc plānās plēves litija tantalāts (LTOI) netika pieminēts agrāk?
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 atkausēšanu virs 1000°C, padarot LTOI nepiemērotu. Tomēr, ņemot vērā mūsdienu pāreju uz izolatoru substrātu un viļņvada kodināšanu modulatora veidošanai, 610 °C Kirī temperatūra ir vairāk nekā pietiekama.
◆ Vai plānslāņa litija tantalāts (LTOI) aizstās plānās plēves litija niobātu (TFLN)?
Pamatojoties uz pašreizējiem pētījumiem, LTOI piedāvā priekšrocības pasīvā veiktspējā, stabilitātē un liela mēroga ražošanas izmaksās, bez acīmredzamiem trūkumiem. Tomēr LTOI nepārspēj litija niobātu modulācijas veiktspējā, un LNOI stabilitātes problēmām ir zināmi risinājumi. Sakaru DR moduļiem ir minimāls pieprasījums pēc pasīvajiem komponentiem (un vajadzības gadījumā var izmantot silīcija nitrīdu). Turklāt ir nepieciešami jauni ieguldījumi, lai atjaunotu vafeļu līmeņa kodināšanas procesus, heterointegrācijas metodes un uzticamības testēšanu (litija niobāta kodināšanas grūtības radīja nevis viļņvads, bet gan augstas ražības vafeļu līmeņa kodināšana). Tāpēc, lai konkurētu ar litija niobāta stāvokli, LTOI, iespējams, būs jāatklāj papildu priekšrocības. Tomēr akadēmiski LTOI piedāvā ievērojamu pētniecības potenciālu integrētām mikroshēmu sistēmām, piemēram, oktāvas elektrooptiskām ķemmēm, PPLT, soliton un AWG viļņu garuma dalīšanas ierīcēm un masīvu modulatoriem.


Izlikšanas laiks: Nov-08-2024