Material litium tantalat (LTOI) film tipis muncul sebagai kekuatan baru yang signifikan di bidang optik terintegrasi. Tahun ini, beberapa karya 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 tentang modulator LTOI berkecepatan tinggi dan berstabilitas tinggi.
Sebagai kerabat dekat dari litium niobate film tipis (LNOI), LTOI mempertahankan karakteristik modulasi kecepatan tinggi dan kerugian rendah dari litium niobate sekaligus menawarkan keunggulan seperti biaya rendah, bias ganda rendah, dan efek fotorefraktif yang berkurang. Perbandingan karakteristik utama dari kedua material tersebut disajikan di bawah ini.
◆ Persamaan antara Lithium Tantalate (LTOI) dan Lithium Niobate (LNOI)
①Indeks Bias:2,12 vs 2,21
Hal ini menyiratkan bahwa dimensi pandu gelombang mode tunggal, radius pembengkokan, dan ukuran perangkat pasif umum berdasarkan kedua material tersebut sangat mirip, dan kinerja kopling seratnya juga sebanding. Dengan etsa pandu gelombang yang baik, kedua material tersebut dapat mencapai rugi penyisipan sebesar<0,1 dB/cm. EPFL melaporkan kerugian pandu gelombang sebesar 5,6 dB/m.
②Koefisien Elektro-optik:30,5 pm/V vs 30,9 pm/V
Efisiensi modulasi sebanding untuk kedua material tersebut, dengan modulasi berdasarkan efek Pockels, memungkinkan bandwidth tinggi. Saat ini, modulator LTOI mampu mencapai kinerja 400G per jalur, dengan bandwidth melebihi 110 GHz.
③Selisih pita:3,93 eV vs 3,78 eV
Kedua material 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 pm/V vs 27 pm/V
Jika digunakan untuk aplikasi nonlinier seperti pembangkitan harmonik kedua (SHG), pembangkitan frekuensi selisih (DFG), atau pembangkitan frekuensi penjumlahan (SFG), efisiensi konversi kedua material tersebut seharusnya cukup mirip.
◆ Keunggulan Biaya LTOI dibandingkan LNOI
①Mengurangi Biaya Persiapan Wafer
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%.
②Teknologi ini sudah banyak digunakan di pasar elektronik konsumen untuk filter akustik.(750.000 unit per tahun, digunakan oleh Samsung, Apple, Sony, dll.).
◆ Keunggulan Kinerja LTOI dibandingkan LNOI
①Cacat Material Lebih Sedikit, Efek Fotorefraktif Lebih Lemah, Stabilitas Lebih Tinggi
Awalnya, modulator LNOI sering menunjukkan pergeseran titik bias, terutama karena akumulasi muatan yang disebabkan oleh 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 sebagian besar dapat diatasi sekarang.
Sebaliknya, LTOI memiliki lebih sedikit cacat material, yang menyebabkan fenomena pergeseran yang 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 menggunakan modulator LNOI yang tidak diolah, yang mungkin tidak sepenuhnya adil; dengan pemrosesan, kinerja kedua material tersebut kemungkinan akan serupa. Perbedaan utamanya terletak pada LTOI yang membutuhkan lebih sedikit langkah pemrosesan tambahan.
②Birefringensi Lebih Rendah: 0,004 vs 0,07
Birefringensi tinggi dari litium niobat (LNOI) terkadang dapat menjadi tantangan, terutama karena belokan pandu gelombang dapat menyebabkan kopling mode dan hibridisasi mode. Pada LNOI tipis, belokan pada pandu gelombang dapat sebagian mengubah cahaya TE menjadi cahaya TM, sehingga mempersulit pembuatan perangkat pasif tertentu, seperti filter.
Dengan LTOI, bias ganda yang lebih rendah menghilangkan masalah ini, berpotensi mempermudah pengembangan perangkat pasif berkinerja tinggi. EPFL juga telah melaporkan hasil yang signifikan, memanfaatkan bias ganda rendah LTOI dan tidak adanya persilangan mode untuk mencapai pembangkitan sisir frekuensi elektro-optik spektrum ultra-lebar dengan kontrol dispersi datar di seluruh rentang spektral yang luas. Hal ini menghasilkan lebar pita sisir yang mengesankan sebesar 450 nm 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 berupa bebas ambang batas dan lebih stabil, meskipun membutuhkan input gelombang mikro daya tinggi.
③Ambang Batas Kerusakan Optik yang Lebih Tinggi
Ambang batas kerusakan optik LTOI dua kali lipat dari LNOI, menawarkan keunggulan dalam aplikasi nonlinier (dan berpotensi aplikasi Coherent Perfect Absorption (CPO) di masa mendatang). Tingkat daya modul optik saat ini kemungkinan tidak akan merusak litium niobat.
④Efek Raman Rendah
Hal ini juga berkaitan dengan aplikasi nonlinier. Lithium niobate memiliki efek Raman yang kuat, yang dalam aplikasi sisir frekuensi optik Kerr dapat menyebabkan pembangkitan cahaya Raman yang tidak diinginkan dan persaingan penguatan, mencegah sisir frekuensi optik lithium niobate potongan-x mencapai keadaan soliton. Dengan LTOI, efek Raman dapat ditekan melalui desain orientasi kristal, memungkinkan LTOI potongan-x untuk mencapai pembangkitan sisir frekuensi optik soliton. Hal ini memungkinkan integrasi monolitik sisir frekuensi optik soliton dengan modulator berkecepatan tinggi, suatu prestasi yang tidak dapat dicapai dengan LNOI.
◆ Mengapa Lithium Tantalat Film 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 lebih dari 1000°C, sehingga LTOI tidak cocok. Namun, dengan pergeseran saat ini ke arah penggunaan substrat isolator dan etsa pandu gelombang untuk pembentukan modulator, suhu Curie 610°C sudah lebih dari cukup.
◆ Akankah Lithium Tantalat Film Tipis (LTOI) Menggantikan Lithium Niobate Film Tipis (TFLN)?
Berdasarkan penelitian terkini, LTOI menawarkan keunggulan dalam kinerja pasif, stabilitas, dan biaya produksi skala besar, tanpa kekurangan yang jelas. Namun, LTOI tidak melampaui litium niobate dalam kinerja modulasi, dan masalah stabilitas pada LNOI memiliki solusi yang diketahui. Untuk modul DR komunikasi, permintaan komponen pasif minimal (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 niobate bukanlah pandu gelombang tetapi mencapai etsa tingkat wafer dengan hasil tinggi). Oleh karena itu, untuk bersaing dengan posisi litium niobate yang sudah mapan, LTOI mungkin perlu menemukan keunggulan lebih lanjut. Secara akademis, LTOI menawarkan potensi penelitian yang signifikan untuk sistem on-chip terintegrasi, seperti sisir elektro-optik rentang oktaf, PPLT, perangkat pembagian panjang gelombang soliton dan AWG, dan modulator array.
Waktu posting: 08-Nov-2024