Material litium tantalat (LTOI) lapisan tipis muncul sebagai kekuatan baru yang signifikan dalam bidang optik terpadu. Tahun ini, beberapa karya tingkat tinggi tentang modulator LTOI telah dipublikasikan, dengan wafer LTOI berkualitas tinggi yang disediakan oleh Profesor Xin Ou dari Institut Teknologi Informasi dan Mikrosistem 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 niobate lapisan tipis (LNOI), LTOI mempertahankan karakteristik modulasi kecepatan tinggi dan kehilangan rendah dari litium niobate sekaligus menawarkan keuntungan seperti biaya rendah, birefringensi rendah, dan efek fotorefraksi yang berkurang. Perbandingan karakteristik utama kedua material tersebut disajikan di bawah ini.
◆ Persamaan antara Litium Tantalat (LTOI) dan Litium Niobat (LNOI)
①Indeks Bias:2.12 vs 2.21
Ini menyiratkan bahwa dimensi pandu gelombang mode tunggal, radius tekukan, dan ukuran perangkat pasif umum berdasarkan kedua bahan tersebut sangat mirip, dan kinerja kopling seratnya juga sebanding. Dengan etsa pandu gelombang yang baik, kedua bahan tersebut dapat mencapai kerugian penyisipan<0,1 dB/cm. EPFL melaporkan hilangnya 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 berdasarkan 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 dan 3,78 eV
Kedua bahan tersebut memiliki jendela transparan yang lebar, mendukung aplikasi dari panjang gelombang tampak hingga inframerah, tanpa penyerapan pada pita komunikasi.
Nomor 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 bahan tersebut seharusnya cukup mirip.
◆ Keunggulan Biaya LTOI vs LNOI
①Biaya Persiapan Wafer Lebih Rendah
LNOI memerlukan implantasi ion He untuk pemisahan lapisan, yang memiliki efisiensi ionisasi rendah. Sebaliknya, LTOI menggunakan implantasi ion H untuk pemisahan, mirip 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 Kinerja LTOI vs LNOI
①Cacat Material Lebih Sedikit, Efek Fotorefraksi Lebih Lemah, Stabilitas Lebih Baik
Awalnya, modulator LNOI sering menunjukkan penyimpangan titik bias, terutama karena akumulasi muatan yang disebabkan oleh cacat pada antarmuka pemandu gelombang. Jika tidak ditangani, perangkat ini dapat memakan waktu hingga satu hari untuk stabil. Namun, berbagai metode dikembangkan untuk mengatasi masalah ini, seperti menggunakan pelapis oksida logam, polarisasi substrat, dan pemanasan, sehingga masalah ini sebagian besar dapat diatasi sekarang.
Sebaliknya, LTOI memiliki lebih sedikit cacat material, yang menyebabkan fenomena pergeseran 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 sering kali menggunakan modulator LNOI yang belum diolah, yang mungkin tidak sepenuhnya adil; dengan pemrosesan, kinerja kedua material tersebut kemungkinan serupa. Perbedaan utamanya terletak pada LTOI yang memerlukan 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 mempersulit pembuatan perangkat pasif tertentu, seperti filter.
Dengan LTOI, birefringensi yang lebih rendah menghilangkan masalah ini, yang berpotensi mempermudah pengembangan perangkat pasif berkinerja tinggi. EPFL juga telah melaporkan hasil yang penting, memanfaatkan birefringensi rendah LTOI dan tidak adanya mode-crossing untuk mencapai pembangkitan sisir frekuensi elektro-optik spektrum ultra-lebar dengan kontrol dispersi datar di seluruh rentang spektral yang lebar. Hal ini menghasilkan lebar pita sisir 450 nm yang mengesankan 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 keuntungan karena bebas ambang batas dan lebih stabil, meskipun memerlukan input gelombang mikro berdaya tinggi.
③Ambang Kerusakan Optik Lebih Tinggi
Ambang batas kerusakan optik LTOI dua kali lipat dari LNOI, sehingga menawarkan keuntungan dalam aplikasi nonlinier (dan berpotensi pada aplikasi Coherent Perfect Absorption (CPO)) di masa mendatang. Tingkat daya modul optik saat ini tidak mungkin merusak litium niobat.
Nomor 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 persaingan perolehan, sehingga mencegah sisir frekuensi optik litium niobat x-cut mencapai status soliton. Dengan LTOI, efek Raman dapat ditekan melalui desain orientasi kristal, yang memungkinkan LTOI x-cut mencapai pembentukan sisir frekuensi optik soliton. Hal ini memungkinkan integrasi monolitik sisir frekuensi optik soliton dengan modulator kecepatan tinggi, suatu prestasi 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 pemanasan pada suhu lebih dari 1000°C, sehingga LTOI tidak cocok. Namun, dengan pergeseran saat ini ke arah penggunaan substrat isolator dan pengetsaan pandu gelombang untuk pembentukan modulator, 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 keuntungan 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 memiliki solusi yang diketahui. Untuk modul DR komunikasi, ada permintaan minimal untuk komponen pasif (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 tetapi mencapai etsa tingkat wafer hasil tinggi). Oleh karena itu, untuk bersaing dengan posisi litium niobat yang mapan, LTOI mungkin perlu mengungkap keuntungan lebih lanjut. Namun, secara akademis, LTOI menawarkan potensi penelitian yang signifikan untuk sistem terintegrasi pada chip, seperti sisir elektro-optik rentang oktaf, PPLT, perangkat pembagian panjang gelombang soliton dan AWG, dan modulator array.
Waktu posting: 08-Nov-2024