İnce film lityum tantalat (LTOI): Yüksek Hızlı Modülatörler için Yeni Yıldız Malzemesi mi?

İnce film lityum tantalat (LTOI) malzemesi, entegre optik alanında önemli bir yeni güç olarak ortaya çıkıyor. Bu yıl, Şangay Mikrosistem ve Bilgi Teknolojisi Enstitüsü'nden Profesör Xin Ou tarafından sağlanan yüksek kaliteli LTOI levhaları ve EPFL'de Profesör Kippenberg'in grubu tarafından geliştirilen yüksek kaliteli dalga kılavuzu gravür işlemleri ile LTOI modülatörleri üzerine birkaç üst düzey çalışma yayınlandı. , İsviçre. İşbirliğine dayalı çabaları etkileyici sonuçlar ortaya koydu. Ek olarak, Profesör Liu Liu liderliğindeki Zhejiang Üniversitesi ve Profesör Loncar liderliğindeki Harvard Üniversitesi araştırma ekipleri de yüksek hızlı, yüksek stabiliteye sahip LTOI modülatörleri hakkında rapor verdi.

İnce film lityum niyobatın (LNOI) yakın akrabası olan LTOI, lityum niyobatın yüksek hızlı modülasyonunu ve düşük kayıp özelliklerini korurken aynı zamanda düşük maliyet, düşük çift kırılma ve azaltılmış fotokırılma etkileri gibi avantajlar da sunar. Aşağıda iki malzemenin temel özelliklerinin bir karşılaştırması sunulmaktadır.

微信图片_20241106164015

◆ Lityum Tantalat (LTOI) ve Lityum Niobat (LNOI) arasındaki benzerlikler
Kırılma İndeksi:2,12 ve 2,21
Bu, tek modlu dalga kılavuzu boyutlarının, bükülme yarıçapının ve her iki malzemeye dayalı ortak pasif cihaz boyutlarının çok benzer olduğu ve fiber birleştirme performanslarının da karşılaştırılabilir olduğu anlamına gelir. İyi bir dalga kılavuzu aşındırması ile her iki malzeme de ekleme kaybı elde edebilir.<0,1 dB/cm. EPFL, 5,6 dB/m'lik bir dalga kılavuzu kaybı bildirdi.

Elektro-optik Katsayısı:30,5 pm/V vs 30,9 pm/V
Modülasyon verimliliği, yüksek bant genişliğine izin veren Pockels etkisine dayanan modülasyonla her iki malzeme için de karşılaştırılabilir. Şu anda LTOI modülatörleri, 110 GHz'i aşan bant genişliğiyle şerit başına 400G performansına ulaşma kapasitesine sahiptir.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bant aralığı:3,93 eV'ye karşı 3,78 eV
Her iki malzeme de görünürden kızılötesi dalga boylarına kadar olan uygulamaları destekleyen, iletişim bantlarında emilim olmayan geniş şeffaf bir pencereye sahiptir.

İkinci Dereceden Doğrusal Olmayan Katsayı (d33):21:00/V vs 27:00/V
İkinci harmonik üretimi (SHG), fark frekansı üretimi (DFG) veya toplam frekans üretimi (SFG) gibi doğrusal olmayan uygulamalar için kullanıldığında, iki malzemenin dönüşüm verimlilikleri oldukça benzer olmalıdır.

◆ LTOI ve LNOI'nin Maliyet Avantajı
Daha Düşük Gofret Hazırlama Maliyeti
LNOI, düşük iyonizasyon verimliliğine sahip olan katman ayrımı için He iyon implantasyonunu gerektirir. Buna karşılık LTOI, SOI'ye benzer şekilde ayırma için H iyon implantasyonunu kullanır ve LNOI'den 10 kat daha yüksek bir delaminasyon verimliliğine sahiptir. Bu, 6 inçlik plakalar için önemli bir fiyat farkına neden olur: 300 $'a karşı 2000 $, yani %85'lik bir maliyet düşüşü.

微信图片_20241106165545

Akustik filtreler için tüketici elektroniği pazarında halihazırda yaygın olarak kullanılmaktadır.(Samsung, Apple, Sony vb. tarafından kullanılan yıllık 750.000 adet).

微信图片_20241106165539

◆ LTOI ve LNOI'nin Performans Avantajları
Daha Az Malzeme Kusuru, Daha Zayıf Işık Kırılma Etkisi, Daha Fazla Stabilite
Başlangıçta, LNOI modülatörleri, öncelikle dalga kılavuzu arayüzündeki kusurların neden olduğu yük birikimi nedeniyle sıklıkla önyargı noktası kayması sergiledi. Tedavi edilmezse bu cihazların stabil hale gelmesi bir gün kadar sürebilir. Ancak bu sorunu çözmek için metal oksit kaplama, substrat polarizasyonu ve tavlama gibi çeşitli yöntemler geliştirildi ve bu sorun artık büyük ölçüde yönetilebilir hale geldi.
Buna karşılık, LTOI'de daha az malzeme kusuru bulunur ve bu da sürüklenme olgusunun önemli ölçüde azalmasına yol açar. Ek işlem yapılmasa bile çalışma noktası nispeten sabit kalır. Benzer sonuçlar EPFL, Harvard ve Zhejiang Üniversitesi tarafından da rapor edildi. Ancak karşılaştırmada genellikle işlenmemiş LNOI modülatörleri kullanılır ve bu tamamen adil olmayabilir; işleme ile her iki malzemenin performansı muhtemelen benzerdir. Temel fark, LTOI'nin daha az ek işlem adımı gerektirmesinde yatmaktadır.

微信图片_20241106165708

Düşük Çift Kırılma: 0,004 vs 0,07
Lityum niyobatın (LNOI) yüksek çift kırılımı, özellikle dalga kılavuzu bükülmelerinin mod eşleşmesine ve mod hibridizasyonuna neden olabilmesi nedeniyle zaman zaman zorlayıcı olabilir. İnce LNOI'de dalga kılavuzundaki bir bükülme, TE ışığını kısmen TM ışığına dönüştürebilir, bu da filtreler gibi bazı pasif cihazların üretimini zorlaştırır.
LTOI ile daha düşük çift kırılma bu sorunu ortadan kaldırarak yüksek performanslı pasif cihazların geliştirilmesini potansiyel olarak kolaylaştırır. EPFL ayrıca geniş bir spektral aralıkta düz dağılım kontrolü ile ultra geniş spektrumlu elektro-optik frekans tarağı üretimi elde etmek için LTOI'nin düşük çift kırılmasından ve mod geçişinin olmamasından yararlanarak dikkate değer sonuçlar da bildirdi. Bu, 2000'den fazla tarak hattı ile etkileyici bir 450 nm tarak bant genişliği ile sonuçlandı; bu, lityum niyobat ile elde edilebilecek olanın birkaç katıdır. Kerr optik frekans taraklarıyla karşılaştırıldığında elektro-optik taraklar, yüksek güçlü bir mikrodalga girişi gerektirmelerine rağmen eşiksiz ve daha kararlı olma avantajını sunar.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Daha Yüksek Optik Hasar Eşiği
LTOI'nin optik hasar eşiği, LNOI'nin iki katıdır ve doğrusal olmayan uygulamalarda (ve potansiyel olarak gelecekteki Tutarlı Mükemmel Emilim (CPO) uygulamalarında) bir avantaj sunar. Mevcut optik modül güç seviyelerinin lityum niyobata zarar vermesi pek mümkün değildir.
Düşük Raman Etkisi
Bu aynı zamanda doğrusal olmayan uygulamalar için de geçerlidir. Lityum niyobat güçlü bir Raman etkisine sahiptir; bu, Kerr optik frekans tarağı uygulamalarında istenmeyen Raman ışık üretimine yol açabilir ve rekabet kazanabilir, x-cut lityum niyobat optik frekans taraklarının soliton durumuna ulaşmasını engelleyebilir. LTOI ile Raman etkisi, kristal oryantasyon tasarımı aracılığıyla bastırılabilir ve böylece x-cut LTOI'nin soliton optik frekans tarağı üretimi elde etmesine olanak sağlanır. Bu, soliton optik frekans taraklarının yüksek hızlı modülatörlerle yekpare entegrasyonunu mümkün kılar; bu, LNOI ile elde edilemeyecek bir başarıdır.
◆ Neden Daha Önce İnce Film Lityum Tantalat'tan (LTOI) Bahsedilmedi?
Lityum tantalat, lityum niyobattan daha düşük bir Curie sıcaklığına sahiptir (610°C'ye karşı 1157°C). Heterointegrasyon teknolojisinin (XOI) geliştirilmesinden önce, lityum niyobat modülatörleri, 1000°C'nin üzerinde tavlama gerektiren titanyum difüzyonu kullanılarak üretiliyordu ve bu da LTOI'yi uygunsuz hale getiriyordu. Bununla birlikte, günümüzün modülatör oluşumu için yalıtkan alt katmanlar ve dalga kılavuzu aşındırma kullanımına doğru kaymasıyla birlikte, 610°C Curie sıcaklığı fazlasıyla yeterli.
◆ İnce Film Lityum Tantalat (LTOI), İnce Film Lityum Niobat'ın (TFLN) yerini alacak mı?
Mevcut araştırmalara göre LTOI, görünürde hiçbir dezavantaj olmaksızın pasif performans, kararlılık ve büyük ölçekli üretim maliyeti açısından avantajlar sunmaktadır. Ancak LTOI, modülasyon performansı açısından lityum niyobatı geçemez ve LNOI ile ilgili kararlılık sorunlarının bilinen çözümleri vardır. İletişim DR modülleri için pasif bileşenlere minimum düzeyde ihtiyaç vardır (ve gerekirse silikon nitrür kullanılabilir). Ek olarak, levha düzeyinde aşındırma işlemlerini, heterointegrasyon tekniklerini ve güvenilirlik testlerini yeniden kurmak için yeni yatırımlar gerekmektedir (lityum niyobat aşındırmadaki zorluk dalga kılavuzu değil, yüksek verimli levha düzeyinde aşındırma elde edilmesiydi). Bu nedenle, lityum niyobatın yerleşik konumuyla rekabet edebilmek için LTOI'nin daha fazla avantajı ortaya çıkarması gerekebilir. Ancak akademik açıdan LTOI, oktav kapsayan elektro-optik taraklar, PPLT, soliton ve AWG dalga boyu bölme cihazları ve dizi modülatörleri gibi entegre çip üstü sistemler için önemli bir araştırma potansiyeli sunmaktadır.


Gönderim zamanı: Kasım-08-2024