Õhukese kilega liitiumtantalaat (LTOI) materjal on integreeritud optika valdkonnas esile kerkimas. Sel aastal on avaldatud mitu kõrgetasemelist tööd LTOI modulaatorite kohta, sealhulgas professor Xin Ou Shanghai Mikrosüsteemide ja Infotehnoloogia Instituudist pakub kvaliteetseid LTOI vahvleid ning professor Kippenbergi töörühm EPFL-is Šveitsis töötas välja kvaliteetsed lainejuhtide söövitusprotsessid. Nende koostöö on andnud muljetavaldavaid tulemusi. Lisaks on professor Liu Liu juhitud Zhejiangi Ülikooli ja professor Loncari juhitud Harvardi Ülikooli uurimisrühmad aru andnud ka kiirete ja stabiilsete LTOI modulaatorite kohta.
Õhukese kilega liitiumniobaadi (LNOI) lähedase sugulasena säilitab LTOI liitiumniobaadi kiire modulatsiooni ja väikese kaduga omadused, pakkudes samal ajal ka eeliseid, nagu madal hind, madal kaksikmurdumine ja vähenenud fotorefraktsioonilised efektid. Kahe materjali peamiste omaduste võrdlus on esitatud allpool.
◆ Liitiumtantalaadi (LTOI) ja liitiumniobaadi (LNOI) sarnasused
①Murdumisnäitaja:2.12 vs 2.21
See tähendab, et mõlema materjali puhul on ühemoodilise lainejuhi mõõtmed, painutusraadius ja tavaliste passiivsete seadmete suurused väga sarnased ning ka nende kiudude sidestusvõime on võrreldav. Hea lainejuhi söövituse korral võivad mõlemad materjalid saavutada sisestamise kaotuse<0,1 dB/cm. EPFL teatab lainejuhi kadudeks 5,6 dB/m.
②Elektrooptiline koefitsient:30,5 pm/V vs 30,9 pm/V
Modulatsiooni efektiivsus on mõlema materjali puhul võrreldav, kusjuures Pockelsi efektil põhinev modulatsioon võimaldab suurt ribalaiust. Praegu on LTOI modulaatorid võimelised saavutama 400G jõudlust raja kohta, ribalaiusega üle 110 GHz.
③Keeluvahe:3,93 eV vs 3,78 eV
Mõlemal materjalil on lai läbipaistev aken, mis toetab rakendusi nähtavast valgusest kuni infrapunase valguse lainepikkusteni, ilma et sideribades neelduks.
④Teist järku mittelineaarne koefitsient (d33):21.00/V vs 27.00/V
Mittelineaarsete rakenduste, näiteks teise harmoonilise genereerimise (SHG), erinevussageduse genereerimise (DFG) või summaarse sageduse genereerimise (SFG) korral peaksid kahe materjali muundamise efektiivsused olema üsna sarnased.
◆ LTOI ja LNOI kulueelis
①Madalamad vahvli valmistamise kulud
LNOI nõuab kihtide eraldamiseks He ioonide implanteerimist, millel on madal ionisatsiooni efektiivsus. Seevastu LTOI kasutab eraldamiseks H ioonide implanteerimist, sarnaselt SOI-ga, mille delaminatsiooni efektiivsus on üle 10 korra kõrgem kui LNOI-l. Selle tulemuseks on 6-tolliste vahvlite puhul märkimisväärne hinnavahe: 300 dollarit vs 2000 dollarit, mis tähendab 85% kulude vähenemist.
②Seda kasutatakse juba laialdaselt tarbeelektroonika turul akustiliste filtrite jaoks.(750 000 ühikut aastas, mida kasutavad Samsung, Apple, Sony jne).
◆ LTOI ja LNOI jõudluse eelised
①Vähem materjalidefekte, nõrgem fotorefraktiivne efekt, suurem stabiilsus
Algselt esines LNOI modulaatoritel sageli eelpingepunkti triivi, mis oli peamiselt tingitud lainejuhi liidese defektide põhjustatud laengu akumuleerumisest. Töötlemata jätmise korral võis nende seadmete stabiliseerumine võtta kuni päeva. Selle probleemi lahendamiseks töötati aga välja mitmesuguseid meetodeid, näiteks metalloksiidkatte kasutamine, substraadi polarisatsioon ja lõõmutamine, mis muutis selle probleemi nüüdseks suures osas hallatavaks.
Seevastu LTOI-l on vähem materjalidefekte, mis viib oluliselt vähenenud triivinähtusteni. Isegi ilma täiendava töötlemiseta jääb selle tööpunkt suhteliselt stabiilseks. Sarnaseid tulemusi on teatanud EPFL, Harvardi ja Zhejiangi Ülikool. Võrdluses kasutatakse aga sageli töötlemata LNOI modulaatoreid, mis ei pruugi olla täiesti õiglane; töötlemise korral on mõlema materjali jõudlus tõenäoliselt sarnane. Peamine erinevus seisneb selles, et LTOI vajab vähem täiendavaid töötlemisetappe.
②Madalam kahekordne murdumine: 0,004 vs 0,07
Liitiumniobaadi (LNOI) kõrge kaksikmurdumine võib kohati keeruliseks osutuda, eriti kuna lainejuhi painutused võivad põhjustada mooduse sidestust ja mooduse hübridisatsiooni. Õhukese LNOI puhul võib lainejuhi painutus osaliselt muuta TE-valguse TM-valguseks, mis raskendab teatud passiivsete seadmete, näiteks filtrite, valmistamist.
LTOI puhul kõrvaldab madalam kaksikmurdumine selle probleemi, mis võib muuta suure jõudlusega passiivsete seadmete väljatöötamise lihtsamaks. EPFL on samuti teatanud märkimisväärsetest tulemustest, kasutades ära LTOI madalat kaksikmurdumist ja moodiülekäigu puudumist, et saavutada ülilaia spektriga elektrooptilise sageduskammi genereerimine lameda dispersioonikontrolliga laias spektraalvahemikus. Selle tulemuseks oli muljetavaldav 450 nm kammi ribalaius üle 2000 kammijoonega, mis on mitu korda suurem kui liitiumniobaadiga saavutatav. Võrreldes Kerri optiliste sageduskammidega on elektrooptilistel kammidel eeliseks läviväärtuste puudumine ja stabiilsus, kuigi need vajavad suure võimsusega mikrolaine sisendit.
③Kõrgem optilise kahjustuse lävi
LTOI optilise kahjustuse lävi on kaks korda suurem kui LNOI-l, mis pakub eelist mittelineaarsetes rakendustes (ja potentsiaalselt tulevastes koherentse täiusliku neeldumise (CPO) rakendustes). Praegused optiliste moodulite võimsustasemed tõenäoliselt liitiumniobaati ei kahjusta.
④Madal Ramani efekt
See kehtib ka mittelineaarsete rakenduste kohta. Liitiumniobaadil on tugev Ramani efekt, mis Kerri optilise sageduskammi rakendustes võib viia soovimatu Ramani valguse tekkeni ja suurendada konkurentsi, takistades X-lõigatud liitiumniobaadi optilistel sageduskammidel solitonseisundisse jõudmist. LTOI abil saab Ramani efekti kristalli orientatsiooni disaini abil maha suruda, mis võimaldab X-lõigatud LTOI-l saavutada solitonse optilise sageduskammi genereerimise. See võimaldab solitonsete optiliste sageduskammide monoliitset integreerimist kiirete modulaatoritega, mis pole LNOI puhul saavutatav.
◆ Miks ei mainitud varem õhukese kilega liitiumtantalaati (LTOI)?
Liitiumtantalaadil on madalam Curie temperatuur kui liitiumniobaadil (610 °C vs 1157 °C). Enne heterointegratsioonitehnoloogia (XOI) väljatöötamist valmistati liitiumniobaadi modulaatoreid titaandifusioonimeetodil, mis nõuab kuumutamist temperatuuril üle 1000 °C, mistõttu LTOI ei sobi. Tänapäeval on aga modulaatorite moodustamiseks üha enam eelistatud isolaatoraluspindu ja lainejuhtide söövitust, mistõttu on 610 °C Curie temperatuur enam kui piisav.
◆ Kas õhukese kilega liitiumtantalaat (LTOI) asendab õhukese kilega liitiumniobaati (TFLN)?
Praeguste uuringute põhjal pakub LTOI eeliseid passiivse jõudluse, stabiilsuse ja suuremahulise tootmiskulude osas, ilma ilmsete puudusteta. Siiski ei ületa LTOI liitiumniobaati modulatsiooni jõudluse osas ning LNOI stabiilsusprobleemidele on teadaolevad lahendused. Kommunikatsiooni-DR-moodulite puhul on passiivkomponentide järele minimaalne nõudlus (ja vajadusel võiks kasutada räninitriidi). Lisaks on vaja uusi investeeringuid kiibi tasemel söövitusprotsesside, heterointegratsioonitehnikate ja töökindluse testimise taastamiseks (liitiumniobaadi söövitamise raskus ei olnud lainejuht, vaid suure saagikusega kiibi tasemel söövituse saavutamine). Seetõttu võib LTOI-l liitiumniobaadi väljakujunenud positsiooniga konkureerimiseks olla vaja leida täiendavaid eeliseid. Akadeemiliselt pakub LTOI aga märkimisväärset uurimispotentsiaali integreeritud kiibisüsteemide jaoks, nagu oktaaviulatuvad elektrooptilised kammid, PPLT, soliton- ja AWG-lainepikkuse jagamise seadmed ning massiivmodulaatorid.
Postituse aeg: 08.11.2024