Das Dünnschicht-Lithiumtantalat-Material (LTOI) entwickelt sich zu einer bedeutenden neuen Kraft im Bereich der integrierten Optik. In diesem Jahr wurden mehrere hochkarätige Arbeiten zu LTOI-Modulatoren veröffentlicht, darunter hochwertige LTOI-Wafer von Professor Xin Ou vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology und hochwertige Wellenleiter-Ätzverfahren, die von Professor Kippenbergs Gruppe an der EPFL entwickelt wurden , Schweiz. Ihre gemeinsamen Bemühungen haben beeindruckende Ergebnisse gezeigt. 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 LTOI-Modulatoren mit hoher Geschwindigkeit und hoher Stabilität berichtet.
Als enger Verwandter von Dünnschicht-Lithiumniobat (LNOI) behält LTOI die Hochgeschwindigkeitsmodulation und die verlustarmen Eigenschaften von Lithiumniobat bei und bietet gleichzeitig Vorteile wie niedrige Kosten, geringe Doppelbrechung und reduzierte photorefraktive Effekte. Im Folgenden wird ein Vergleich der Haupteigenschaften der beiden Materialien dargestellt.
◆ Ähnlichkeiten zwischen Lithiumtantalat (LTOI) und Lithiumniobat (LNOI)
①Brechungsindex:2,12 vs. 2,21
Dies impliziert, dass die Abmessungen des Singlemode-Wellenleiters, der Biegeradius und die gängigen passiven Gerätegrößen auf Basis beider Materialien sehr ähnlich sind und auch ihre Faserkopplungsleistung vergleichbar ist. Bei guter Wellenleiterätzung können beide Materialien einen Einfügungsverlust von erreichen<0,1 dB/cm. Die EPFL meldet einen Wellenleiterverlust von 5,6 dB/m.
②Elektrooptischer Koeffizient:30,5 Uhr/V vs. 30,9 Uhr/V
Die Modulationseffizienz ist für beide Materialien vergleichbar, wobei die Modulation auf dem Pockels-Effekt basiert und eine hohe Bandbreite ermöglicht. Derzeit sind LTOI-Modulatoren in der Lage, eine Leistung von 400 G pro Spur bei einer Bandbreite von über 110 GHz zu erreichen.
③Bandlücke:3,93 eV gegenüber 3,78 eV
Beide Materialien verfügen über ein breites transparentes Fenster und unterstützen Anwendungen im sichtbaren bis 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 zweiter Harmonischer (SHG), die Erzeugung von Differenzfrequenzen (DFG) oder die Erzeugung von Summenfrequenzen (SFG) sollten die Umwandlungseffizienzen der beiden Materialien ziemlich ähnlich sein.
◆ Kostenvorteil von LTOI gegenüber LNOI
①Geringere Kosten für die Wafervorbereitung
LNOI erfordert die Implantation von He-Ionen zur Schichttrennung, was eine geringe Ionisierungseffizienz aufweist. Im Gegensatz dazu nutzt LTOI die H-Ionenimplantation zur Trennung, ähnlich wie SOI, mit einer Delaminationseffizienz, die mehr als zehnmal höher ist als bei LNOI. Dies führt zu einem erheblichen Preisunterschied für 6-Zoll-Wafer: 300 US-Dollar gegenüber 2.000 US-Dollar, was einer Kostenreduzierung von 85 % entspricht.
②Im Unterhaltungselektronikmarkt wird es bereits häufig für Akustikfilter eingesetzt(750.000 Einheiten jährlich, verwendet von Samsung, Apple, Sony usw.).
◆ Leistungsvorteile von LTOI gegenüber LNOI
①Weniger Materialfehler, schwächerer photorefraktiver Effekt, mehr Stabilität
Anfänglich zeigten LNOI-Modulatoren häufig eine Drift des Vorspannungspunkts, hauptsächlich aufgrund der Ladungsansammlung, die durch Defekte an der Wellenleiterschnittstelle verursacht wurde. Wenn diese Geräte nicht behandelt werden, kann es bis zu einem Tag dauern, bis sie sich stabilisieren. Es wurden jedoch verschiedene Methoden entwickelt, um dieses Problem anzugehen, wie z. B. die Verwendung einer Metalloxidbeschichtung, Substratpolarisierung und Glühen, wodurch dieses Problem mittlerweile weitgehend beherrschbar ist.
Im Gegensatz dazu weist LTOI weniger Materialfehler auf, was zu deutlich geringeren Driftphänomenen führt. Auch ohne zusätzliche Bearbeitung bleibt sein Arbeitspunkt relativ stabil. Ähnliche Ergebnisse wurden von der EPFL, Harvard und der Zhejiang-Universität gemeldet. Allerdings werden beim Vergleich häufig unbehandelte LNOI-Modulatoren verwendet, was möglicherweise nicht ganz fair ist; Bei der Verarbeitung ist die Leistung beider Materialien wahrscheinlich ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass LTOI weniger zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordert.
②Geringere Doppelbrechung: 0,004 vs. 0,07
Die hohe Doppelbrechung von Lithiumniobat (LNOI) kann manchmal eine Herausforderung sein, insbesondere da Wellenleiterbiegungen zu Modenkopplung und Modenhybridisierung führen können. Bei dünnen LNOI kann eine Biegung im Wellenleiter TE-Licht teilweise in TM-Licht umwandeln, was die Herstellung bestimmter passiver Geräte wie Filter erschwert.
Bei LTOI wird dieses Problem durch die geringere Doppelbrechung beseitigt, was möglicherweise die Entwicklung leistungsstarker passiver Geräte erleichtert. Die EPFL hat auch bemerkenswerte Ergebnisse gemeldet, indem sie die geringe Doppelbrechung und das Fehlen von Modenkreuzungen von LTOI nutzte, um eine elektrooptische Frequenzkammerzeugung mit ultrabreitem Spektrum und flacher Dispersionskontrolle über einen breiten Spektralbereich zu erreichen. Dies führte zu einer beeindruckenden Kammbandbreite von 450 nm mit über 2000 Kammlinien, die um ein Vielfaches größer ist als das, was mit Lithiumniobat erreicht werden kann. Im Vergleich zu optischen Kerr-Frequenzkämmen bieten elektrooptische Kämme den Vorteil, dass sie schwellenfrei und stabiler sind, erfordern jedoch einen Mikrowelleneingang mit hoher Leistung.
③Höhere optische Schadensschwelle
Die optische Schadensschwelle von LTOI ist doppelt so hoch wie die von LNOI und bietet einen Vorteil bei nichtlinearen Anwendungen (und möglicherweise zukünftigen CPO-Anwendungen (Coherent Perfect Absorption)). Es ist unwahrscheinlich, dass die derzeitigen Leistungsstufen optischer Module Lithiumniobat beschädigen.
④Niedriger Raman-Effekt
Dies gilt auch für nichtlineare Anwendungen. Lithiumniobat hat einen starken Raman-Effekt, der bei optischen Frequenzkammanwendungen von Kerr zu einer unerwünschten Raman-Lichterzeugung führen und Konkurrenz schaffen kann, wodurch verhindert wird, dass optische Frequenzkämme aus x-geschnittenem Lithiumniobat den Solitonenzustand erreichen. Mit LTOI kann der Raman-Effekt durch das Design der Kristallorientierung unterdrückt werden, sodass x-geschnittenes LTOI eine optische Solitonenfrequenzkammerzeugung erreichen kann. Dies ermöglicht die monolithische Integration optischer Soliton-Frequenzkämme mit Hochgeschwindigkeitsmodulatoren, eine Leistung, die mit LNOI nicht erreichbar ist.
◆ Warum wurde Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) nicht früher erwähnt?
Lithiumtantalat hat 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 Glühen bei über 1000 °C erfordert, was LTOI ungeeignet macht. Angesichts der heutigen Entwicklung hin zur Verwendung von Isolatorsubstraten und Wellenleiterätzung zur Modulatorbildung ist eine Curie-Temperatur von 610 °C jedoch mehr als ausreichend.
◆ Wird Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) ersetzen?
Basierend auf aktuellen Forschungsergebnissen bietet LTOI Vorteile in Bezug auf passive Leistung, Stabilität und Produktionskosten im großen Maßstab, ohne erkennbare Nachteile. Allerdings übertrifft LTOI Lithiumniobat in der Modulationsleistung nicht, und für Stabilitätsprobleme mit LNOI gibt es bekannte Lösungen. Für Kommunikations-DR-Module besteht ein minimaler Bedarf an passiven Komponenten (und bei Bedarf könnte Siliziumnitrid verwendet werden). Darüber hinaus sind neue Investitionen erforderlich, um Ätzprozesse auf Waferebene, Heterointegrationstechniken und Zuverlässigkeitstests wiederherzustellen (die Schwierigkeit beim Ätzen mit Lithiumniobat lag nicht im Wellenleiter, sondern darin, eine Ätzung auf Waferebene mit hoher Ausbeute zu erreichen). Um mit der etablierten Position von Lithiumniobat konkurrieren zu können, muss LTOI daher möglicherweise weitere Vorteile aufdecken. Aus akademischer Sicht bietet LTOI jedoch erhebliches Forschungspotenzial für integrierte On-Chip-Systeme wie oktavübergreifende elektrooptische Kämme, PPLT, Soliton- und AWG-Wellenlängenteilungsgeräte und Array-Modulatoren.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.11.2024