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) weist LTOI die Eigenschaften der Hochgeschwindigkeitsmodulation und der geringen Verluste von Lithiumniobat auf und bietet gleichzeitig Vorteile wie niedrige Kosten, geringe Doppelbrechung und reduzierte photorefraktive Effekte. Ein Vergleich der Haupteigenschaften der beiden Materialien wird unten dargestellt.
◆ Ähnlichkeiten zwischen Lithiumtantalat (LTOI) und Lithiumniobat (LNOI)
①Brechungsindex:2,12 vs. 2,21
Dies bedeutet, dass die Abmessungen, der Biegeradius und die gängigen passiven Bauelemente beider Materialien sehr ähnlich sind und auch die Faserkopplungsleistung vergleichbar ist. Bei guter Wellenleiterätzung erreichen beide Materialien eine Einfügedämpfung 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 Gbit/s 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 der Verwendung für nichtlineare Anwendungen wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), die Erzeugung der Differenzfrequenz (DFG) oder die Erzeugung der Summenfrequenz (SFG) sollten die Umwandlungswirkungsgrade 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 Delaminationseffizienz 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
Anfänglich 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 Bauelemente bis zu einem Tag dauern. Es wurden jedoch verschiedene Methoden entwickelt, um dieses Problem zu lösen, wie z. B. die Verwendung von Metalloxid-Beschichtungen, Substratpolarisation und Tempern, wodurch 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 University 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 benötigt.
②Geringere Doppelbrechung: 0,004 vs. 0,07
Die hohe Doppelbrechung von Lithiumniobat (LNOI) kann mitunter eine Herausforderung darstellen, insbesondere da Wellenleiterbiegungen Modenkopplung und Modenhybridisierung verursachen können. Bei dünnen LNOI kann eine Biegung im Wellenleiter TE-Licht teilweise in TM-Licht umwandeln, was die Herstellung bestimmter passiver Bauelemente, wie beispielsweise Filter, erschwert.
Bei LTOI beseitigt die geringere Doppelbrechung dieses Problem, was die Entwicklung leistungsstarker passiver Bauelemente erleichtern könnte. Auch die EPFL konnte bemerkenswerte Ergebnisse erzielen, 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. Dies führte zu einer beeindruckenden 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) 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 x-geschnittene LTOI die Erzeugung optischer Solitonen-Frequenzkämme erreichen. 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, wodurch LTOI ungeeignet war. Mit dem heutigen Trend 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?
Aktuellen Forschungsergebnissen zufolge bietet LTOI Vorteile hinsichtlich passiver Leistung, Stabilität und Produktionskosten im großen Maßstab, ohne erkennbare Nachteile. LTOI übertrifft Lithiumniobat jedoch nicht in 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 lag nicht im Wellenleiter, sondern darin, auf Waferebene eine hohe Ätzausbeute zu erzielen). Um mit der etablierten Position von Lithiumniobat konkurrieren zu können, muss LTOI daher möglicherweise weitere Vorteile erschließen. Aus akademischer Sicht bietet LTOI jedoch erhebliches Forschungspotenzial für integrierte On-Chip-Systeme wie oktavenübergreifende elektrooptische Kämme, PPLT, Soliton- und AWG-Wellenlängenteilungsbauelemente sowie Array-Modulatoren.
Beitragszeit: 08.11.2024