Lithium tantalate film tipis (LTOI): Bahan Bintang Berikutnya untuk Modulator Berkecepatan Tinggi?

Bahan lithium tantalate (LTOI) film tipis muncul sebagai kekuatan baru yang signifikan di bidang optik terintegrasi. Tahun ini, beberapa karya tingkat tinggi tentang modulator LTOI telah diterbitkan, 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 niobate film tipis (LNOI), LTOI mempertahankan modulasi kecepatan tinggi dan karakteristik litium niobate dengan kerugian rendah sekaligus menawarkan keunggulan seperti biaya rendah, birefringence rendah, dan efek fotorefraksi yang berkurang. Perbandingan karakteristik utama kedua bahan tersebut disajikan di bawah ini.

微信图片_20241106164015

◆ Persamaan antara Lithium Tantalate (LTOI) dan Lithium Niobate (LNOI)
Indeks 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 penggandengan seratnya juga sebanding. Dengan etsa pandu gelombang yang baik, kedua material dapat mencapai kerugian penyisipan<0,1dB/cm. EPFL melaporkan hilangnya pandu gelombang sebesar 5,6 dB/m.

Koefisien Elektro-optik:30.5 sore/V vs 30.9 sore/V
Efisiensi modulasi sebanding untuk kedua material, dengan modulasi berdasarkan efek Pockels, memungkinkan bandwidth tinggi. Saat ini, modulator LTOI mampu mencapai kinerja 400G per jalur, dengan bandwidth melebihi 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Celah 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.

Koefisien 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 penjumlahan (SFG), efisiensi konversi kedua material tersebut seharusnya cukup mirip.

◆ Keunggulan Biaya LTOI vs LNOI
Biaya 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 10 kali lebih tinggi dibandingkan LNOI. Hal ini menghasilkan perbedaan harga yang signifikan untuk wafer 6 inci: $300 vs. $2000, pengurangan biaya sebesar 85%.

微信图片_20241106165545

Ini sudah banyak digunakan di pasar elektronik konsumen untuk filter akustik(750.000 unit per tahun, digunakan oleh Samsung, Apple, Sony, dll.).

微信图片_20241106165539

◆ Keunggulan Kinerja LTOI vs LNOI
Lebih Sedikit Cacat Material, Efek Fotorefraksi Lebih Lemah, Lebih Stabilitas
Awalnya, modulator LNOI sering menunjukkan penyimpangan titik bias, terutama karena akumulasi muatan yang disebabkan oleh cacat pada antarmuka pandu gelombang. Jika tidak ditangani, perangkat ini mungkin memerlukan waktu hingga satu hari untuk menjadi stabil. Namun, berbagai metode dikembangkan untuk mengatasi masalah ini, seperti penggunaan pelapis oksida logam, polarisasi substrat, dan anil, sehingga masalah ini kini dapat diatasi.
Sebaliknya, LTOI memiliki lebih sedikit cacat material, sehingga mengurangi fenomena penyimpangan secara signifikan. Bahkan tanpa pemrosesan tambahan, titik pengoperasiannya tetap relatif stabil. Hasil serupa juga dilaporkan oleh EPFL, Harvard, dan Universitas Zhejiang. Namun, perbandingannya sering kali menggunakan modulator LNOI yang tidak diolah, yang mungkin tidak sepenuhnya adil; dengan pemrosesan, kinerja kedua bahan tersebut kemungkinan besar serupa. Perbedaan utamanya terletak pada LTOI yang memerlukan lebih sedikit langkah pemrosesan tambahan.

微信图片_20241106165708

Birefringence Lebih Rendah: 0,004 vs 0,07
Birefringence lithium niobate (LNOI) yang tinggi terkadang menjadi tantangan, terutama karena pembengkokan 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, birefringence yang lebih rendah menghilangkan masalah ini, sehingga berpotensi mempermudah pengembangan perangkat pasif berperforma tinggi. EPFL juga telah melaporkan hasil yang luar biasa, memanfaatkan birefringence LTOI yang rendah dan tidak adanya mode-crossing untuk mencapai pembangkitan sisir frekuensi elektro-optik spektrum ultra lebar dengan kontrol dispersi datar pada rentang spektral yang luas. Hal ini menghasilkan bandwidth sisir 450 nm yang mengesankan dengan lebih dari 2000 garis sisir, beberapa kali lebih besar dibandingkan apa yang dapat dicapai dengan lithium niobate. Dibandingkan dengan sisir frekuensi optik Kerr, sisir elektro-optik menawarkan keuntungan karena bebas ambang batas dan lebih stabil, meskipun memerlukan masukan gelombang mikro berdaya tinggi.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Ambang Batas Kerusakan Optik Lebih Tinggi
Ambang batas kerusakan optik LTOI adalah dua kali lipat dari LNOI, sehingga menawarkan keunggulan dalam aplikasi nonlinier (dan kemungkinan aplikasi Coherent Perfect Absorpsi (CPO) di masa depan). Tingkat daya modul optik saat ini kemungkinan tidak akan merusak litium niobate.
Efek 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 mendapatkan persaingan, mencegah sisir frekuensi optik lithium niobate x-cut mencapai keadaan soliton. Dengan LTOI, efek Raman dapat ditekan melalui desain orientasi kristal, memungkinkan LTOI x-cut 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 Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) Tidak Disebutkan Sebelumnya?
Litium tantalat memiliki suhu Curie yang lebih rendah dibandingkan litium niobate (610°C vs. 1157°C). Sebelum pengembangan teknologi heterointegrasi (XOI), modulator litium niobate diproduksi menggunakan difusi titanium, yang memerlukan anil pada suhu lebih dari 1000°C, sehingga LTOI tidak cocok. Namun, dengan peralihan saat ini ke arah penggunaan substrat isolator dan etsa pandu gelombang untuk pembentukan modulator, suhu Curie 610°C sudah lebih dari cukup.
◆ Akankah Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) Menggantikan Thin-Film Lithium Niobate (TFLN)?
Berdasarkan penelitian saat ini, LTOI menawarkan keunggulan dalam kinerja pasif, stabilitas, dan biaya produksi skala besar, tanpa kelemahan yang jelas. Namun, LTOI tidak mengungguli lithium niobate 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 niobate bukanlah pada pandu gelombang tetapi mencapai etsa tingkat wafer dengan hasil tinggi). Oleh karena itu, untuk bersaing dengan posisi lithium niobate yang sudah mapan, LTOI mungkin perlu mengungkap keunggulan lebih lanjut. Namun 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, serta modulator array.


Waktu posting: 08 November 2024