Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) entwickelt sich zu einem bedeutenden neuen Material im Bereich der integrierten Optik. In diesem Jahr wurden mehrere hochrangige Arbeiten zu LTOI-Modulatoren veröffentlicht. Die hochwertigen LTOI-Wafer stammen von Professor Xin Ou vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, während die Arbeitsgruppe von Professor Kippenberg an der EPFL in der Schweiz hochqualitative Ätzverfahren für Wellenleiter entwickelt hat. Die gemeinsame Arbeit dieser Forschergruppen hat beeindruckende Ergebnisse hervorgebracht. Darüber hinaus haben Forschungsteams der Zhejiang-Universität unter der Leitung von Professor Liu Liu und der Harvard-Universität unter der Leitung von Professor Loncar ebenfalls über schnelle und stabile LTOI-Modulatoren berichtet.
Als eng verwandtes Material zu Lithiumniobat-Dünnschichten (LNOI) vereint LTOI dessen Eigenschaften der schnellen Modulation und der geringen Verluste mit Vorteilen wie niedrigen Kosten, geringer Doppelbrechung und reduzierten photorefraktiven Effekten. Ein Vergleich der wichtigsten Eigenschaften beider Materialien wird im Folgenden dargestellt.
◆ Ähnlichkeiten zwischen Lithiumtantalat (LTOI) und Lithiumniobat (LNOI)
①Brechungsindex:2,12 vs 2,21
Dies bedeutet, dass die Abmessungen des Einmoden-Wellenleiters, der Biegeradius und die gängigen Größen passiver Bauelemente beider Materialien sehr ähnlich sind und auch deren Faserkopplungsleistung vergleichbar ist. Bei guter Wellenleiterätzung lässt sich mit beiden Materialien eine Einfügungsdämpfung von … erreichen.<0,1 dB/cm. Die EPFL gibt einen Wellenleiterverlust von 5,6 dB/m an.
②Elektrooptischer Koeffizient:30,5 Uhr/V vs. 30,9 Uhr/V
Die Modulationseffizienz ist für beide Materialien vergleichbar; die Modulation basiert auf dem Pockels-Effekt und ermöglicht so eine hohe Bandbreite. Aktuell erreichen LTOI-Modulatoren eine Leistung von 400 Gbit/s pro Lane mit einer Bandbreite von über 110 GHz.
③Bandlücke:3,93 eV vs. 3,78 eV
Beide Materialien verfügen über ein breites transparentes Fenster und unterstützen Anwendungen vom sichtbaren bis zum infraroten Wellenlängenbereich, ohne Absorption in den Kommunikationsbändern.
④Nichtlinearer Koeffizient zweiter Ordnung (d33):21 Uhr/V vs. 27 Uhr/V
Bei Verwendung für nichtlineare Anwendungen wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), die Differenzfrequenzerzeugung (DFG) oder die Summenfrequenzerzeugung (SFG) sollten die Umwandlungseffizienzen der beiden Materialien recht ähnlich sein.
◆ Kostenvorteil von LTOI gegenüber LNOI
①Niedrigere Kosten für die Waferherstellung
LNOI erfordert Heliumionenimplantation zur Schichttrennung, die eine geringe Ionisierungseffizienz aufweist. Im Gegensatz dazu nutzt LTOI, ähnlich wie SOI, Wasserstoffionenimplantation zur Trennung, jedoch mit einer mehr als zehnmal höheren Delaminierungseffizienz als LNOI. Dies führt zu einem signifikanten Preisunterschied bei 6-Zoll-Wafern: 300 US-Dollar gegenüber 2000 US-Dollar, was einer Kostenreduktion von 85 % entspricht.
②Es wird bereits in großem Umfang im Markt für Unterhaltungselektronik für Akustikfilter eingesetzt.(750.000 Einheiten jährlich, verwendet von Samsung, Apple, Sony usw.).
◆ Leistungsvorteile von LTOI gegenüber LNOI
①Weniger Materialfehler, schwächerer photorefraktiver Effekt, höhere Stabilität
Anfänglich wiesen LNOI-Modulatoren häufig eine Drift des Arbeitspunktes auf, hauptsächlich aufgrund von Ladungsansammlungen durch Defekte an der Wellenleitergrenzfläche. Unbehandelt konnte die Stabilisierung dieser Bauelemente bis zu einem Tag dauern. Durch die Entwicklung verschiedener Methoden, wie z. B. Metalloxid-Beschichtungen, Substratpolarisation und Tempern, lässt sich dieses Problem jedoch weitgehend beheben.
Im Gegensatz dazu weist LTOI weniger Materialdefekte auf, was zu deutlich reduzierten Driftphänomenen führt. Selbst ohne zusätzliche Bearbeitung bleibt sein Arbeitspunkt relativ stabil. Ähnliche Ergebnisse wurden von der EPFL, Harvard und der Zhejiang-Universität berichtet. Allerdings werden für den Vergleich häufig unbehandelte LNOI-Modulatoren herangezogen, was möglicherweise nicht ganz fair ist; mit entsprechender Bearbeitung dürfte die Leistung beider Materialien vergleichbar sein. Der Hauptunterschied liegt darin, dass LTOI weniger zusätzliche Bearbeitungsschritte benötigt.
②Geringere Doppelbrechung: 0,004 gegenüber 0,07
Die hohe Doppelbrechung von Lithiumniobat (LNOI) kann mitunter problematisch sein, insbesondere da Wellenleiterkrümmungen Modenkopplung und Modenhybridisierung verursachen können. In dünnen LNOI-Schichten kann eine Krümmung im Wellenleiter TE-Licht teilweise in TM-Licht umwandeln, was die Herstellung bestimmter passiver Bauelemente wie Filter erschwert.
Durch die geringere Doppelbrechung von LTOI wird dieses Problem beseitigt, was die Entwicklung leistungsstarker passiver Bauelemente potenziell vereinfacht. Die EPFL hat ebenfalls bemerkenswerte Ergebnisse erzielt, indem sie die geringe Doppelbrechung und das Fehlen von Modenkreuzungen von LTOI nutzte, um eine elektrooptische Frequenzkammgenerierung mit extrem breitem Spektrum und flacher Dispersionskontrolle über einen weiten Spektralbereich zu erreichen. Dies führte zu einer beeindruckenden Kammbandbreite von 450 nm mit über 2000 Kammlinien, die um ein Vielfaches größer ist als mit Lithiumniobat. Im Vergleich zu optischen Kerr-Frequenzkämmen bieten elektrooptische Kämme den Vorteil, schwellenwertfrei und stabiler zu sein, benötigen jedoch eine Mikrowelleneingangsleistung hoher Intensität.
③Höhere optische Schadensschwelle
Die optische Zerstörschwelle von LTOI ist doppelt so hoch wie die von LNOI, was einen Vorteil bei nichtlinearen Anwendungen (und potenziell zukünftigen Anwendungen mit kohärenter perfekter Absorption (CPO)) bietet. Die derzeitigen Leistungspegel optischer Module beschädigen Lithiumniobat voraussichtlich nicht.
④Niedriger Raman-Effekt
Dies gilt auch für nichtlineare Anwendungen. Lithiumniobat weist einen starken Raman-Effekt auf, der in Kerr-Frequenzkämmen zu unerwünschter Raman-Lichterzeugung und Verstärkungskonkurrenz führen und verhindern kann, dass x-geschnittene Lithiumniobat-Frequenzkämme den Solitonenzustand erreichen. Mit LTOI lässt sich der Raman-Effekt durch gezielte Kristallorientierung unterdrücken, wodurch x-geschnittenes LTOI die Erzeugung von Solitonen-Frequenzkämmen ermöglicht. Dies erlaubt die monolithische Integration von Solitonen-Frequenzkämmen mit Hochgeschwindigkeitsmodulatoren – eine mit LNOI nicht realisierbare Leistung.
◆ Warum wurde Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) nicht früher erwähnt?
Lithiumtantalat besitzt eine niedrigere Curie-Temperatur als Lithiumniobat (610 °C gegenüber 1157 °C). Vor der Entwicklung der Heterointegrationstechnologie (XOI) wurden Lithiumniobat-Modulatoren mittels Titandiffusion hergestellt, was ein Tempern bei über 1000 °C erfordert und LTOI daher ungeeignet machte. Mit dem heutigen Trend hin zur Verwendung von Isolatorsubstraten und Wellenleiterätzung zur Modulatorherstellung ist eine Curie-Temperatur von 610 °C jedoch mehr als ausreichend.
◆ Wird Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) ersetzen?
Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass LTOI Vorteile hinsichtlich passiver Leistung, Stabilität und Produktionskosten in großen Stückzahlen bietet, ohne erkennbare Nachteile. Allerdings übertrifft LTOI Lithiumniobat in der Modulationsleistung nicht, und für Stabilitätsprobleme mit LNOI sind Lösungen bekannt. Für Kommunikations-DR-Module besteht nur ein geringer Bedarf an passiven Komponenten (und Siliziumnitrid könnte bei Bedarf verwendet werden). Darüber hinaus sind neue Investitionen erforderlich, um Wafer-Level-Ätzprozesse, Heterointegrationstechniken und Zuverlässigkeitstests wieder zu etablieren (die Schwierigkeit beim Ätzen von Lithiumniobat lag nicht im Wellenleiter selbst, sondern in der Erzielung einer hohen Ausbeute beim Wafer-Level-Ätzen). Um mit der etablierten Position von Lithiumniobat konkurrieren zu können, muss LTOI daher möglicherweise weitere Vorteile aufzeigen. Akademisch bietet LTOI jedoch erhebliches Forschungspotenzial für integrierte On-Chip-Systeme, wie z. B. elektrooptische Kämme mit Oktavbereich, PPLT, Soliton- und AWG-Wellenlängenteiler sowie Array-Modulatoren.
Veröffentlichungsdatum: 08.11.2024