Material litium tantalat lapisan tipis (LTOI) muncul sebagai kekuatan baru yang signifikan dalam bidang optik terintegrasi. Tahun ini, beberapa penelitian tingkat tinggi tentang modulator LTOI telah dipublikasikan, dengan wafer LTOI berkualitas tinggi yang disediakan oleh Profesor Xin Ou dari Institut Mikrosistem dan Teknologi Informasi Shanghai, dan proses etsa pandu gelombang berkualitas tinggi yang dikembangkan oleh kelompok Profesor Kippenberg di EPFL, Swiss. Upaya kolaboratif mereka telah menunjukkan hasil yang mengesankan. Selain itu, tim peneliti dari Universitas Zhejiang yang dipimpin oleh Profesor Liu Liu dan Universitas Harvard yang dipimpin oleh Profesor Loncar juga telah melaporkan modulator LTOI berkecepatan tinggi dan berstabilitas tinggi.
Sebagai kerabat dekat litium niobat lapisan tipis (LNOI), LTOI mempertahankan karakteristik modulasi kecepatan tinggi dan rugi-rugi rendah litium niobat, sekaligus menawarkan keunggulan seperti biaya rendah, birefringensi rendah, dan efek fotorefraksi yang berkurang. Perbandingan karakteristik utama kedua material ini disajikan di bawah ini.
◆ Persamaan antara Litium Tantalat (LTOI) dan Litium Niobat (LNOI)
1Indeks Bias:2.12 vs 2.21
Hal ini menyiratkan bahwa dimensi pandu gelombang mode tunggal, radius tekuk, dan ukuran perangkat pasif umum yang didasarkan pada kedua material tersebut sangat mirip, dan kinerja kopling seratnya juga sebanding. Dengan penggoresan pandu gelombang yang baik, kedua material tersebut dapat mencapai kerugian penyisipan sebesar<0,1 dB/cm. EPFL melaporkan kehilangan pandu gelombang sebesar 5,6 dB/m.
2Koefisien Elektro-optik:30,5 pm/V vs 30,9 pm/V
Efisiensi modulasinya sebanding untuk kedua material, dengan modulasi berbasis efek Pockels yang memungkinkan bandwidth tinggi. Saat ini, modulator LTOI mampu mencapai kinerja 400G per jalur, dengan bandwidth melebihi 110 GHz.
3Celah pita:3,93 eV vs 3,78 eV
Kedua bahan tersebut memiliki jendela transparan yang lebar, mendukung aplikasi dari panjang gelombang tampak hingga inframerah, tanpa penyerapan pada pita komunikasi.
4Koefisien Nonlinier Orde Kedua (d33):21 malam/V vs 27 malam/V
Jika digunakan untuk aplikasi nonlinier seperti pembangkitan harmonik kedua (SHG), pembangkitan frekuensi perbedaan (DFG), atau pembangkitan frekuensi jumlah (SFG), efisiensi konversi kedua material tersebut seharusnya cukup mirip.
◆ Keunggulan Biaya LTOI vs LNOI
1Biaya Persiapan Wafer Lebih Rendah
LNOI membutuhkan implantasi ion He untuk pemisahan lapisan, yang memiliki efisiensi ionisasi rendah. Sebaliknya, LTOI menggunakan implantasi ion H untuk pemisahan, serupa dengan SOI, dengan efisiensi delaminasi lebih dari 10 kali lebih tinggi daripada LNOI. Hal ini menghasilkan perbedaan harga yang signifikan untuk wafer 6 inci: $300 vs. $2000, pengurangan biaya sebesar 85%.
2Ini sudah banyak digunakan di pasar elektronik konsumen untuk filter akustik(750.000 unit per tahun, digunakan oleh Samsung, Apple, Sony, dll.).
◆ Keunggulan Performa LTOI vs LNOI
1Lebih Sedikit Cacat Material, Efek Fotorefraksi Lebih Lemah, Stabilitas Lebih Tinggi
Awalnya, modulator LNOI sering menunjukkan penyimpangan titik bias, terutama akibat akumulasi muatan akibat cacat pada antarmuka pandu gelombang. Jika tidak ditangani, perangkat ini dapat membutuhkan waktu hingga satu hari untuk stabil. Namun, berbagai metode telah dikembangkan untuk mengatasi masalah ini, seperti penggunaan pelapis oksida logam, polarisasi substrat, dan anil, sehingga masalah ini kini sebagian besar dapat diatasi.
Sebaliknya, LTOI memiliki lebih sedikit cacat material, sehingga fenomena drift berkurang secara signifikan. Bahkan tanpa pemrosesan tambahan, titik operasinya tetap relatif stabil. Hasil serupa telah dilaporkan oleh EPFL, Harvard, dan Universitas Zhejiang. Namun, perbandingan tersebut seringkali menggunakan modulator LNOI yang belum diolah, yang mungkin tidak sepenuhnya akurat; dengan pemrosesan, kinerja kedua material kemungkinan serupa. Perbedaan utamanya terletak pada LTOI yang membutuhkan lebih sedikit langkah pemrosesan tambahan.
2Birefringensi Rendah: 0,004 vs 0,07
Birefringensi tinggi litium niobat (LNOI) terkadang dapat menjadi tantangan, terutama karena lengkungan pandu gelombang dapat menyebabkan penggandengan mode dan hibridisasi mode. Pada LNOI tipis, lengkungan pada pandu gelombang dapat mengubah sebagian cahaya TE menjadi cahaya TM, sehingga menyulitkan fabrikasi perangkat pasif tertentu, seperti filter.
Dengan LTOI, birefringensi yang lebih rendah menghilangkan masalah ini, sehingga berpotensi memudahkan pengembangan perangkat pasif berkinerja tinggi. EPFL juga telah melaporkan hasil yang signifikan, memanfaatkan birefringensi rendah LTOI dan ketiadaan mode-crossing untuk mencapai pembangkitan sisir frekuensi elektro-optik spektrum ultra-lebar dengan kontrol dispersi datar di seluruh rentang spektral yang luas. Hal ini menghasilkan bandwidth sisir 450 nm yang impresif dengan lebih dari 2000 garis sisir, beberapa kali lebih besar daripada yang dapat dicapai dengan litium niobat. Dibandingkan dengan sisir frekuensi optik Kerr, sisir elektro-optik menawarkan keunggulan bebas ambang batas dan lebih stabil, meskipun memerlukan input gelombang mikro berdaya tinggi.
3Ambang Kerusakan Optik yang Lebih Tinggi
Ambang batas kerusakan optik LTOI dua kali lipat dari LNOI, menawarkan keunggulan dalam aplikasi nonlinier (dan berpotensi untuk aplikasi Coherent Perfect Absorption (CPO)) di masa mendatang. Tingkat daya modul optik saat ini kemungkinan besar tidak akan merusak litium niobat.
4Efek Raman Rendah
Hal ini juga berlaku untuk aplikasi nonlinier. Litium niobat memiliki efek Raman yang kuat, yang dalam aplikasi sisir frekuensi optik Kerr dapat menyebabkan pembentukan cahaya Raman yang tidak diinginkan dan kompetisi penguatan, sehingga mencegah sisir frekuensi optik litium niobat x-cut mencapai keadaan soliton. Dengan LTOI, efek Raman dapat ditekan melalui desain orientasi kristal, yang memungkinkan LTOI x-cut untuk mencapai pembentukan sisir frekuensi optik soliton. Hal ini memungkinkan integrasi monolitik sisir frekuensi optik soliton dengan modulator berkecepatan tinggi, suatu hal yang tidak dapat dicapai dengan LNOI.
◆ Mengapa Litium Tantalat Lapisan Tipis (LTOI) Tidak Disebutkan Sebelumnya?
Litium tantalat memiliki suhu Curie yang lebih rendah daripada litium niobat (610°C vs. 1157°C). Sebelum pengembangan teknologi heterointegrasi (XOI), modulator litium niobat diproduksi menggunakan difusi titanium, yang memerlukan anil pada suhu di atas 1000°C, sehingga LTOI tidak cocok. Namun, dengan pergeseran penggunaan substrat isolator dan etsa pandu gelombang untuk pembentukan modulator saat ini, suhu Curie 610°C sudah lebih dari cukup.
◆ Akankah Litium Tantalat Lapisan Tipis (LTOI) menggantikan Litium Niobat Lapisan Tipis (TFLN)?
Berdasarkan penelitian terkini, LTOI menawarkan keunggulan dalam kinerja pasif, stabilitas, dan biaya produksi skala besar, tanpa kekurangan yang nyata. Namun, LTOI tidak melampaui litium niobat dalam kinerja modulasi, dan masalah stabilitas dengan LNOI telah diketahui solusinya. Untuk modul DR komunikasi, permintaan komponen pasif sangat minim (dan silikon nitrida dapat digunakan jika diperlukan). Selain itu, investasi baru diperlukan untuk membangun kembali proses etsa tingkat wafer, teknik heterointegrasi, dan pengujian keandalan (kesulitan dengan etsa litium niobat bukanlah pandu gelombang, melainkan pencapaian etsa tingkat wafer dengan hasil tinggi). Oleh karena itu, untuk bersaing dengan posisi litium niobat yang telah mapan, LTOI mungkin perlu mengungkap keunggulan lebih lanjut. Namun, secara akademis, LTOI menawarkan potensi penelitian yang signifikan untuk sistem terintegrasi pada chip, seperti sisir elektro-optik rentang oktaf, PPLT, perangkat pembagi panjang gelombang soliton dan AWG, serta modulator array.
Waktu posting: 08-Nov-2024