Литиум танталат со тенок филм (LTOI): Следен ѕвезден материјал за модулатори со голема брзина?

Материјалот со тенок слој литиум танталат (LTOI) се појавува како значајна нова сила во интегрираното оптичко поле. Оваа година беа објавени неколку дела на високо ниво за LTOI модулатори, со висококвалитетни LTOI наполитанки обезбедени од професорот Xin Ou од Шангајскиот институт за микросистем и информатичка технологија, и висококвалитетни процеси на офортирање на брановоди развиени од групата на професорот Кипенберг во EPFL , Швајцарија. Нивните заеднички напори покажаа импресивни резултати. Дополнително, истражувачките тимови од Универзитетот Жеџијанг предводени од професорот Лиу Лиу и Универзитетот Харвард предводен од професорот Лончар исто така известија за LTOI модулатори со голема брзина и висока стабилност.

Како близок роднина на литиум ниобат со тенок слој (LNOI), LTOI ги задржува карактеристиките на модулација со голема брзина и ниска загуба на литиум ниобат, а исто така нуди предности како што се ниска цена, ниско двојно прекршување и намалени фоторефрактивни ефекти. Споредбата на главните карактеристики на двата материјали е претставена подолу.

微信图片_20241106164015

◆ Сличности помеѓу литиум танталат (LTOI) и литиум ниобат (LNOI)
Индекс на рефракција:2,12 наспроти 2,21
Ова имплицира дека димензиите на брановоди во еден режим, радиусот на свиткување и вообичаените големини на пасивни уреди врз основа на двата материјали се многу слични, а нивната изведба на спојување на влакна е исто така споредлива. Со добро офортирање на брановоди, и двата материјали може да постигнат губење на вметнување на<0,1 dB/cm. EPFL известува за загуба на брановодот од 5,6 dB/m.

Електро-оптички коефициент:30,5 часот/В наспроти 30,9 часот/В
Ефикасноста на модулацијата е споредлива за двата материјали, со модулација заснована на ефектот Pockels, што овозможува висок пропусен опсег. Во моментов, LTOI модулаторите се способни да постигнат перформанси од 400 G по лента, со пропусен опсег што надминува 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Појава на бенд:3,93 eV наспроти 3,78 eV
Двата материјали имаат широк проѕирен прозорец, поддржувајќи апликации од видливи до инфрацрвени бранови должини, без апсорпција во комуникациските опсези.

Нелинеарен коефициент од втор ред (d33):21 часот/В наспроти 27 часот/В
Ако се користи за нелинеарни апликации како што е второто хармониско генерирање (SHG), генерирање со разлика-фреквенција (DFG) или генерирање збир-фреквенција (SFG), ефикасноста на конверзијата на двата материјали треба да биде доста слична.

◆ Предност на трошоците на LTOI наспроти LNOI
Пониски трошоци за подготовка на нафора
LNOI бара имплантација на јон на He за одвојување на слојот, што има ниска ефикасност на јонизација. Спротивно на тоа, LTOI користи имплантација на H јони за сепарација, слично на SOI, со ефикасност на раслојување над 10 пати поголема од LNOI. Ова резултира со значителна разлика во цената за наполитанки од 6 инчи: 300 долари наспроти 2000 долари, намалување на трошоците за 85%.

微信图片_20241106165545

Веќе широко се користи на пазарот за потрошувачка електроника за акустични филтри(750.000 единици годишно, користени од Samsung, Apple, Sony итн.).

微信图片_20241106165539

◆ Предности на перформансите на LTOI наспроти LNOI
Помалку дефекти на материјалот, послаб фоторефракциски ефект, поголема стабилност
Првично, LNOI модулаторите често покажуваа повлекување на пристрасната точка, првенствено поради акумулацијата на полнеж предизвикана од дефекти на интерфејсот на брановоди. Доколку не се лекуваат, на овие уреди може да им треба и еден ден за да се стабилизираат. Сепак, беа развиени различни методи за решавање на ова прашање, како што се користење на обложување со метален оксид, поларизација на подлогата и жарење, што го прави овој проблем во голема мера податлив сега.
Спротивно на тоа, LTOI има помалку материјални дефекти, што доведува до значително намалени феномени на дрифт. Дури и без дополнителна обработка, неговата работна точка останува релативно стабилна. Слични резултати се пријавени од EPFL, Харвард и Универзитетот Жеџијанг. Меѓутоа, споредбата често користи нетретирани LNOI модулатори, што можеби не е сосема фер; со обработката, перформансите на двата материјали веројатно се слични. Главната разлика лежи во LTOI што бара помалку дополнителни чекори за обработка.

微信图片_20241106165708

Пониско двократно прекршување: 0,004 наспроти 0,07
Високото двојно прекршување на литиум ниобат (LNOI) понекогаш може да биде предизвик, особено затоа што свиоците на брановоди може да предизвикаат спојување на режимот и хибридизација на режимот. Во тенок LNOI, свиокот на брановодот може делумно да ја претвори TE светлината во TM светлина, комплицирајќи го производството на одредени пасивни уреди, како филтри.
Со LTOI, пониското двојно прекршување го елиминира ова прашање, што потенцијално го олеснува развојот на пасивни уреди со високи перформанси. EPFL, исто така, објави забележителни резултати, искористувајќи го ниското двократно прекршување на LTOI и отсуството на вкрстување на режими за да се постигне генерирање на електро-оптичка фреквенција со ултра широк спектар со контрола на рамна дисперзија низ широк спектрален опсег. Ова резултираше со импресивен опсег на чешел од 450 nm со над 2000 линии на чешел, неколку пати поголем од она што може да се постигне со литиум ниобат. Во споредба со Kerr-овите чешли со оптичка фреквенција, електро-оптичките чешли ја нудат предноста што се без праг и постабилни, иако бараат влез на микробранова печка со висока моќност.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Повисок праг на оптичко оштетување
Прагот на оптичко оштетување на LTOI е двојно поголем од оној на LNOI, што нуди предност во нелинеарни апликации (и потенцијално идни апликации за кохерентна совршена апсорпција (CPO)). Тековните нивоа на моќност на оптичкиот модул веројатно нема да го оштетат литиум ниобат.
Низок Раман ефект
Ова се однесува и на нелинеарни апликации. Литиум ниобат има силен Раман ефект, кој во апликациите за чешлање со оптичка фреквенција на Кер може да доведе до несакано генерирање на Раман светлина и да добие конкуренција, спречувајќи ги чешлите со оптичка фреквенција со х-сечени литиум ниобат да достигнат солитонска состојба. Со LTOI, ефектот на Раман може да се потисне преку дизајнот на кристална ориентација, дозволувајќи му на LTOI со x-cut да постигне генерирање солитонски чешел со оптичка фреквенција. Ова овозможува монолитна интеграција на солитонски чешли со оптичка фреквенција со модулатори со голема брзина, подвиг што не може да се постигне со LNOI.
◆ Зошто не беше споменат порано литиум танталат со тенок филм (LTOI)?
Литиум танталат има пониска Кири температура од литиум ниобат (610°C наспроти 1157°C). Пред развојот на технологијата за хетероинтеграција (XOI), модулаторите на литиум ниобат беа произведени со употреба на дифузија на титаниум, што бара жарење на над 1000°C, што го прави LTOI несоодветен. Меѓутоа, со денешната промена кон користење на изолаторски подлоги и офорт на брановоди за формирање на модулатор, температурата на Кири од 610°C е повеќе од доволна.
◆ Дали литиум танталат со тенок филм (LTOI) ќе го замени литиум ниобат со тенок филм (TFLN)?
Врз основа на тековните истражувања, LTOI нуди предности во пасивни перформанси, стабилност и трошоци за производство во големи размери, без очигледни недостатоци. Сепак, LTOI не го надминува литиум ниобат во перформансите на модулацијата, а проблемите со стабилноста со LNOI имаат познати решенија. За комуникациските DR модули, има минимална побарувачка за пасивни компоненти (а силициум нитрид може да се користи доколку е потребно). Дополнително, потребни се нови инвестиции за повторно воспоставување на процеси на офорт на ниво на обланда, техники на хетероинтеграција и тестирање на доверливост (тешкотијата со офортувањето на литиум ниобат не беше брановодот, туку постигнувањето офорт на ниво на нафора со висок принос). Затоа, за да се натпреварува со воспоставената позиција на литиум ниобат, LTOI можеби ќе треба да открие дополнителни предности. Академски, сепак, LTOI нуди значителен истражувачки потенцијал за интегрирани системи на чип, како што се електро-оптички чешли со октава, PPLT, уреди за поделба на бранови должини солитон и AWG и модулатори на низа.


Време на објавување: 08-11-2024 година