İnce film lityum tantal (LTOI) malzeme, entegre optik alanında önemli yeni bir güç olarak ortaya çıkıyor. Bu yıl, Şanghay Mikrosistem ve Bilgi Teknolojisi Enstitüsü'nden Profesör Xin Ou tarafından sağlanan yüksek kaliteli LTOI plakaları ve İsviçre'deki EPFL'den Profesör Kippenberg'in grubu tarafından geliştirilen yüksek kaliteli dalga kılavuzu aşındırma süreçleri ile LTOI modülatörleri üzerine birçok üst düzey çalışma yayınlandı. Bu işbirliklerinin sonuçları etkileyiciydi. Ayrıca, Zhejiang Üniversitesi'nden Profesör Liu Liu ve Harvard Üniversitesi'nden Profesör Loncar liderliğindeki araştırma ekipleri de yüksek hızlı, yüksek kararlılığa sahip LTOI modülatörleri hakkında raporlar yayınladı.
İnce film lityum niobatın (LNOI) yakın bir akrabası olan LTOI, lityum niobatın yüksek hızlı modülasyon ve düşük kayıp özelliklerini korurken aynı zamanda düşük maliyet, düşük çift kırılma ve azaltılmış fotorefraktif etkiler gibi avantajlar da sunmaktadır. İki malzemenin temel özelliklerinin karşılaştırması aşağıda sunulmuştur.
◆ Lityum Tantalat (LTOI) ve Lityum Niobat (LNOI) Arasındaki Benzerlikler
①Kırılma İndeksi:2.12'ye karşı 2.21
Bu, her iki malzemeye dayalı tek modlu dalga kılavuzu boyutlarının, bükme yarıçapının ve ortak pasif cihaz boyutlarının çok benzer olduğu ve fiber bağlantı performanslarının da karşılaştırılabilir olduğu anlamına gelir. İyi bir dalga kılavuzu aşındırmasıyla, her iki malzeme de %10'luk bir ekleme kaybına ulaşabilir.<0,1 dB/cm. EPFL, dalga kılavuzu kaybını 5,6 dB/m olarak bildiriyor.
②Elektro-optik Katsayı:30,5 pm/V ile 30,9 pm/V karşılaştırması
Her iki malzeme için de modülasyon verimliliği karşılaştırılabilir düzeydedir ve Pockels etkisine dayalı modülasyon, yüksek bant genişliğine olanak tanır. Şu anda, LTOI modülatörleri, 110 GHz'i aşan bant genişliğiyle, şerit başına 400G performans elde edebilmektedir.
③Bant aralığı:3,93 eV'ye karşı 3,78 eV
Her iki malzeme de geniş bir şeffaf pencereye sahip olup, görünür ışıktan kızılötesi dalga boylarına kadar uygulamaları destekler ve iletişim bantlarında emilim yapmaz.
④İkinci Dereceden Doğrusal Olmayan Katsayı (d33):21 pm/V ile 27 pm/V karşılaştırması
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'nin LNOI'ye göre Maliyet Avantajı
①Daha düşük wafer hazırlama maliyeti
LNOI, katman ayrımı için düşük iyonizasyon verimliliğine sahip He iyon implantasyonu gerektirir. Buna karşılık, LTOI, SOI'ye benzer şekilde, LNOI'ye göre 10 kat daha yüksek bir ayrılma verimliliğiyle H iyon implantasyonu kullanır. Bu, 6 inçlik wafer'lar için önemli bir fiyat farkına yol açar: 300$'a karşılık 2000$, %85'lik bir maliyet düşüşü.
②Tüketici elektroniği pazarında akustik filtreler için zaten yaygın olarak kullanılmaktadır.(Yılda 750.000 adet, Samsung, Apple, Sony vb. şirketler tarafından kullanılıyor).
◆ LTOI'nin LNOI'ye Göre Performans Avantajları
①Daha Az Malzeme Hatası, Daha Zayıf Fotorefraktif Etki, Daha Fazla Stabilite
Başlangıçta, LNOI modülatörleri genellikle, esas olarak dalga kılavuzu arayüzündeki kusurlardan kaynaklanan yük birikimi nedeniyle, önyargı noktası kayması sergiliyordu. Tedavi edilmezse, bu cihazların kararlı hale gelmesi bir güne kadar sürebiliyordu. Bununla birlikte, metal oksit kaplama, alt tabaka polarizasyonu ve tavlama gibi bu sorunu çözmek için çeşitli yöntemler geliştirildi ve bu sorun günümüzde büyük ölçüde yönetilebilir hale geldi.
Buna karşılık, LTOI'nin daha az malzeme kusuru vardır ve bu da önemli ölçüde azalmış sapma olaylarına yol açar. Ek işlem gerektirmeden bile, çalışma noktası nispeten sabit kalır. Benzer sonuçlar EPFL, Harvard ve Zhejiang Üniversitesi tarafından da bildirilmiştir. Bununla birlikte, karşılaştırma genellikle işlenmemiş LNOI modülatörleri kullanılarak yapılır ki bu tamamen adil olmayabilir; işlemden sonra her iki malzemenin performansı muhtemelen benzer olacaktır. Ana fark, LTOI'nin daha az ek işlem adımı gerektirmesinde yatmaktadır.
②Daha düşük çift kırılma: 0,004'e karşı 0,07
Lityum niobatın (LNOI) yüksek çift kırılımı, özellikle dalga kılavuzu kıvrımları mod eşleşmesine ve mod melezleşmesine neden olabileceğinden, zaman zaman zorluklar yaratabilir. İnce LNOI'de, dalga kılavuzundaki bir kıvrım, TE ışığını kısmen TM ışığına dönüştürebilir ve bu da filtreler gibi bazı pasif cihazların üretimini zorlaştırabilir.
LTOI ile, düşük çift kırılma bu sorunu ortadan kaldırarak yüksek performanslı pasif cihazların geliştirilmesini potansiyel olarak kolaylaştırıyor. EPFL ayrıca, LTOI'nin düşük çift kırılmasından ve mod geçişinin olmamasından yararlanarak, geniş bir spektral aralıkta düz dağılım kontrolü ile ultra geniş spektrumlu elektro-optik frekans tarağı üretimi elde ederek kayda değer sonuçlar bildirdi. Bu, lityum niobat ile elde edilebilecek olandan birkaç kat daha büyük, 2000'den fazla tarak çizgisiyle etkileyici bir 450 nm tarak bant genişliğiyle sonuçlandı. Kerr optik frekans taraklarına kıyasla, elektro-optik taraklar eşiksiz ve daha kararlı olma avantajı sunar, ancak yüksek güçlü mikrodalga girişi gerektirirler.
③Daha Yüksek Optik Hasar Eşiği
LTOI'nin optik hasar eşiği, LNOI'nin iki katıdır ve bu da doğrusal olmayan uygulamalarda (ve potansiyel olarak gelecekteki Tutarlı Mükemmel Soğurma (CPO) uygulamalarında) bir avantaj sağlar. Mevcut optik modül güç seviyelerinin lityum niobate zarar vermesi olası değildir.
④Düşük Raman Etkisi
Bu durum doğrusal olmayan uygulamalar için de geçerlidir. Lityum niobat güçlü bir Raman etkisine sahiptir ve bu etki, Kerr optik frekans tarağı uygulamalarında istenmeyen Raman ışığı üretimine ve kazanç rekabetine yol açarak, x-kesimli lityum niobat optik frekans taraklarının soliton durumuna ulaşmasını engelleyebilir. LTOI ile, kristal yönlendirme tasarımı yoluyla Raman etkisi bastırılabilir ve bu da x-kesimli LTOI'nin soliton optik frekans tarağı üretimine ulaşmasını sağlar. Bu, soliton optik frekans taraklarının yüksek hızlı modülatörlerle monolitik entegrasyonunu mümkün kılar; bu, LNOI ile elde edilemeyen bir başarıdır.
◆ İnce Film Lityum Tantalat (LTOI) Neden Daha Önce Bahsedilmedi?
Lityum tantalatın Curie sıcaklığı lityum niobate göre daha düşüktür (610°C'ye karşılık 1157°C). Heterointegrasyon teknolojisinin (XOI) geliştirilmesinden önce, lityum niobate modülatörleri, 1000°C'nin üzerinde tavlama gerektiren titanyum difüzyonu kullanılarak üretiliyordu ve bu da LTOI'yi uygunsuz hale getiriyordu. Bununla birlikte, günümüzde modülatör oluşumu için yalıtkan alt tabakaların ve dalga kılavuzu aşındırmasının kullanılmasına doğru yaşanan değişimle birlikte, 610°C'lik bir Curie sıcaklığı fazlasıyla yeterlidir.
◆ İnce Film Lityum Tantal (LTOI), İnce Film Lityum Niobate'in (TFLN) Yerini Alacak mı?
Mevcut araştırmalara göre, LTOI, görünürde hiçbir dezavantajı olmaksızın pasif performans, kararlılık ve büyük ölçekli üretim maliyeti açısından avantajlar sunmaktadır. Bununla birlikte, LTOI modülasyon performansında lityum niobatı geçememektedir ve LNOI'deki kararlılık sorunlarının bilinen çözümleri vardır. İletişim DR modülleri için pasif bileşenlere olan talep minimum düzeydedir (ve gerekirse silikon nitrür kullanılabilir). Ek olarak, gofret seviyesinde aşındırma süreçlerini, heterointegrasyon tekniklerini ve güvenilirlik testlerini yeniden kurmak için yeni yatırımlar gerekmektedir (lityum niobate aşındırmasındaki zorluk dalga kılavuzunda değil, yüksek verimli gofret seviyesinde aşındırma elde etmedeydi). Bu nedenle, lityum niobate'nin yerleşik konumuyla rekabet etmek için LTOI'nin daha fazla avantaj ortaya çıkarması gerekebilir. Bununla birlikte, akademik olarak LTOI, oktav aralıklı elektro-optik taraklar, PPLT, soliton ve AWG dalga boyu bölme cihazları ve dizi modülatörleri gibi entegre çip üstü sistemler için önemli araştırma potansiyeli sunmaktadır.
Yayın tarihi: 08-11-2024