Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) entwickelt sich zu einem bedeutenden neuen Werkstoff im Bereich der integrierten Optik. In diesem Jahr wurden mehrere hochkarätige Arbeiten zu LTOI-Modulatoren veröffentlicht. Professor Xin Ou vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology stellte hochwertige LTOI-Wafer zur Verfügung, und Professor Kippenbergs Gruppe an der EPFL (Schweiz) entwickelte hochwertige Wellenleiter-Ätzverfahren. Ihre Zusammenarbeit hat beeindruckende Ergebnisse hervorgebracht. Darüber hinaus berichteten Forschungsteams der Zhejiang University unter der Leitung von Professor Liu Liu und der Harvard University unter der Leitung von Professor Loncar über schnelle und hochstabile LTOI-Modulatoren.
Als enger Verwandter von Dünnschicht-Lithiumniobat (LNOI) behält LTOI die Eigenschaften der Hochgeschwindigkeitsmodulation und der geringen Verluste von Lithiumniobat bei und bietet gleichzeitig Vorteile wie niedrige Kosten, geringe Doppelbrechung und reduzierte photorefraktive Effekte. Im Folgenden werden die Haupteigenschaften der beiden Materialien verglichen.
◆ Ähnlichkeiten zwischen Lithiumtantalat (LTOI) und Lithiumniobat (LNOI)
①Brechungsindex:2,12 vs. 2,21
Dies bedeutet, dass die Abmessungen, der Biegeradius und die gängigen passiven Gerätegrößen der Singlemode-Wellenleiter beider Materialien sehr ähnlich sind und auch ihre Faserkopplungsleistung vergleichbar ist. Bei guter Wellenleiterätzung erreichen beide Materialien eine Einfügungsdämpfung von<0,1 dB/cm. Die EPFL meldet einen Wellenleiterverlust von 5,6 dB/m.
②Elektrooptischer Koeffizient:30,5 pm/V vs. 30,9 pm/V
Die Modulationseffizienz ist bei beiden Materialien vergleichbar. Die Modulation basiert auf dem Pockels-Effekt und ermöglicht eine hohe Bandbreite. Derzeit erreichen LTOI-Modulatoren eine Leistung von 400 G pro Lane bei 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 von sichtbaren bis hin zu infraroten Wellenlängen, 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
①Geringere Kosten für die Wafervorbereitung
LNOI erfordert zur Schichttrennung eine He-Ionenimplantation, die eine geringe Ionisierungseffizienz aufweist. Im Gegensatz dazu nutzt LTOI, ähnlich wie SOI, eine H-Ionenimplantation zur Trennung, wobei die Delaminierungseffizienz über zehnmal höher ist als bei LNOI. Dies führt zu einem erheblichen Preisunterschied für 6-Zoll-Wafer: 300 US-Dollar gegenüber 2000 US-Dollar, eine Kostenreduzierung von 85 %.
②Es wird im Markt für Unterhaltungselektronik bereits häufig für akustische Filter verwendet.(750.000 Einheiten jährlich, verwendet von Samsung, Apple, Sony usw.).
◆ Leistungsvorteile von LTOI gegenüber LNOI
①Weniger Materialdefekte, schwächerer photorefraktiver Effekt, mehr Stabilität
Anfangs wiesen LNOI-Modulatoren häufig eine Bias-Point-Drift auf, die hauptsächlich auf Ladungsansammlungen durch Defekte an der Wellenleiterschnittstelle zurückzuführen war. Unbehandelt konnte die Stabilisierung dieser Geräte bis zu einem Tag dauern. Es wurden jedoch verschiedene Methoden entwickelt, um dieses Problem zu lösen, wie z. B. die Verwendung von Metalloxid-Ummantelungen, Substratpolarisation und Tempern, sodass dieses Problem heute weitgehend beherrschbar ist.
Im Gegensatz dazu weist LTOI weniger Materialdefekte auf, was zu deutlich geringeren Driftphänomenen führt. Auch ohne zusätzliche Bearbeitung bleibt sein Betriebspunkt relativ stabil. Ähnliche Ergebnisse wurden von der EPFL, Harvard und der Zhejiang-Universität berichtet. Der Vergleich verwendet jedoch häufig unbehandelte LNOI-Modulatoren, was möglicherweise nicht ganz fair ist; mit der Bearbeitung ist die Leistung beider Materialien wahrscheinlich ähnlich. Der Hauptunterschied liegt darin, dass LTOI weniger zusätzliche Bearbeitungsschritte erfordert.
②Geringere Doppelbrechung: 0,004 vs. 0,07
Die hohe Doppelbrechung von Lithiumniobat (LNOI) kann manchmal eine Herausforderung darstellen, insbesondere da Wellenleiterbiegungen zu Modenkopplung und Modenhybridisierung führen können. Bei dünnem LNOI kann eine Biegung im Wellenleiter TE-Licht teilweise in TM-Licht umwandeln, was die Herstellung bestimmter passiver Bauelemente, wie z. B. Filter, erschwert.
Bei LTOI wird dieses Problem durch die geringere Doppelbrechung eliminiert, was die Entwicklung leistungsstarker passiver Geräte erleichtern könnte. Auch die EPFL konnte bemerkenswerte Ergebnisse vorweisen, indem sie die geringe Doppelbrechung und das Fehlen von Modenkreuzungen von LTOI nutzte, um ultrabreitbandige elektrooptische Frequenzkämme mit flacher Dispersionskontrolle über einen weiten Spektralbereich zu erzeugen. Das Ergebnis war eine beeindruckende Kammbandbreite von 450 nm mit über 2000 Kammlinien – ein Vielfaches dessen, was mit Lithiumniobat erreicht werden kann. Im Vergleich zu optischen Kerr-Frequenzkämmen bieten elektrooptische Kämme den Vorteil, schwellenfrei und stabiler zu sein, benötigen allerdings eine leistungsstarke Mikrowellenzufuhr.
③Höhere optische Schadensschwelle
Die optische Schadensschwelle von LTOI ist doppelt so hoch wie die von LNOI, was einen Vorteil bei nichtlinearen Anwendungen (und möglicherweise zukünftigen CPO-Anwendungen (Coherent Perfect Absorption)) bietet. Es ist unwahrscheinlich, dass die aktuellen Leistungspegel optischer Module Lithiumniobat beschädigen.
④Geringer Raman-Effekt
Dies gilt auch für nichtlineare Anwendungen. Lithiumniobat weist einen starken Raman-Effekt auf, der bei Kerr-optischen Frequenzkämmen zu unerwünschter Raman-Lichterzeugung und Verstärkungskonkurrenz führen kann. Dadurch wird verhindert, dass x-geschnittene optische Frequenzkämme aus Lithiumniobat den Solitonenzustand erreichen. Mit LTOI kann der Raman-Effekt durch die Kristallorientierung unterdrückt werden, sodass mit x-geschnittenem LTOI die Erzeugung optischer Solitonen-Frequenzkämme erreicht wird. Dies ermöglicht die monolithische Integration optischer Solitonen-Frequenzkämme mit Hochgeschwindigkeitsmodulatoren, was mit LNOI nicht möglich ist.
◆ Warum wurde Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) nicht früher erwähnt?
Lithiumtantalat hat eine niedrigere Curietemperatur 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 erforderte, weshalb LTOI ungeeignet war. Mit der heutigen Verlagerung hin zur Verwendung von Isolatorsubstraten und Wellenleiterätzen zur Modulatorherstellung ist eine Curietemperatur von 610 °C jedoch mehr als ausreichend.
◆ Wird Dünnschicht-Lithiumtantalat (LTOI) Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) ersetzen?
Basierend auf aktuellen Forschungsergebnissen bietet LTOI Vorteile bei passiver Leistung, Stabilität und hohen Produktionskosten, ohne erkennbare Nachteile. LTOI übertrifft Lithiumniobat jedoch nicht bei der Modulationsleistung und für Stabilitätsprobleme mit LNOI gibt es bekannte Lösungen. Für Kommunikations-DR-Module besteht nur ein minimaler Bedarf an passiven Komponenten (und Siliziumnitrid könnte bei Bedarf verwendet werden). Darüber hinaus sind neue Investitionen erforderlich, um Ätzprozesse auf Waferebene, Heterointegrationstechniken und Zuverlässigkeitstests wiederherzustellen (die Schwierigkeit beim Lithiumniobat-Ätzen war nicht der Wellenleiter, sondern das Erreichen eines hochergiebigen Ätzens auf Waferebene). Um mit der etablierten Position von Lithiumniobat konkurrieren zu können, muss LTOI daher möglicherweise weitere Vorteile erschließen. Aus akademischer Sicht bietet LTOI jedoch ein erhebliches Forschungspotenzial für integrierte On-Chip-Systeme wie oktavenübergreifende elektrooptische Kämme, PPLT, Soliton- und AWG-Wellenlängenteilungsgeräte sowie Array-Modulatoren.
Beitragszeit: 08.11.2024