Ang thin-film lithium tantalate (LTOI) na materyal ay umuusbong bilang isang makabuluhang bagong puwersa sa pinagsama-samang larangan ng optika. Ngayong taon, ilang mga high-level na gawa sa LTOI modulators ang nai-publish, na may mataas na kalidad na LTOI wafers na ibinigay ni Professor Xin Ou mula sa Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, at mga de-kalidad na proseso ng waveguide etching na binuo ng grupo ni Professor Kippenberg sa EPFL , Switzerland. Ang kanilang mga pagtutulungang pagsisikap ay nagpakita ng mga kahanga-hangang resulta. Bilang karagdagan, ang mga pangkat ng pananaliksik mula sa Zhejiang University na pinamumunuan ni Propesor Liu Liu at Harvard University na pinamumunuan ni Propesor Loncar ay nag-ulat din tungkol sa mga modulator ng LTOI na may mataas na bilis at mataas na katatagan.
Bilang malapit na kamag-anak ng thin-film lithium niobate (LNOI), pinapanatili ng LTOI ang high-speed modulation at low-loss na katangian ng lithium niobate habang nag-aalok din ng mga bentahe tulad ng mababang gastos, mababang birefringence, at pinababang photorefractive effect. Ang paghahambing ng mga pangunahing katangian ng dalawang materyales ay ipinakita sa ibaba.
◆ Mga pagkakatulad sa pagitan ng Lithium Tantalate (LTOI) at Lithium Niobate (LNOI)
①Repraktibo Index:2.12 laban sa 2.21
Ipinahihiwatig nito na ang single-mode na mga dimensyon ng waveguide, bending radius, at mga karaniwang laki ng passive device batay sa parehong mga materyales ay halos magkapareho, at ang kanilang fiber coupling performance ay maihahambing din. Sa mahusay na pag-ukit ng waveguide, ang parehong mga materyales ay maaaring makamit ang pagkawala ng pagpapasok ng<0.1 dB/cm. Iniuulat ng EPFL ang pagkawala ng waveguide na 5.6 dB/m.
②Electro-optic Coefficient:30.5 pm/V vs 30.9 pm/V
Ang kahusayan ng modulasyon ay maihahambing para sa parehong mga materyales, na may modulasyon batay sa epekto ng Pockels, na nagbibigay-daan para sa mataas na bandwidth. Sa kasalukuyan, ang mga modulator ng LTOI ay may kakayahang makamit ang 400G per lane performance, na may bandwidth na lampas sa 110 GHz.
③Bandgap:3.93 eV kumpara sa 3.78 eV
Ang parehong mga materyales ay may malawak na transparent na window, na sumusuporta sa mga application mula sa nakikita hanggang sa infrared na mga wavelength, na walang pagsipsip sa mga banda ng komunikasyon.
④Second-Order Nonlinear Coefficient (d33):21 pm/V vs 27 pm/V
Kung ginamit para sa mga nonlinear na application gaya ng second harmonic generation (SHG), difference-frequency generation (DFG), o sum-frequency generation (SFG), dapat na magkapareho ang mga conversion na kahusayan ng dalawang materyales.
◆ Cost Advantage ng LTOI vs LNOI
①Mababang Gastos sa Paghahanda ng Wafer
Ang LNOI ay nangangailangan ng He ion implantation para sa layer separation, na may mababang ionization efficiency. Sa kabaligtaran, ang LTOI ay gumagamit ng H ion implantation para sa paghihiwalay, katulad ng SOI, na may kahusayan sa delamination na higit sa 10 beses na mas mataas kaysa sa LNOI. Nagreresulta ito sa isang makabuluhang pagkakaiba sa presyo para sa mga 6-inch na wafer: $300 kumpara sa $2000, isang 85% na pagbawas sa gastos.
②Malawak na itong ginagamit sa merkado ng consumer electronics para sa mga acoustic filter(750,000 unit taun-taon, ginagamit ng Samsung, Apple, Sony, atbp.).
◆ Mga Kalamangan sa Pagganap ng LTOI kumpara sa LNOI
①Mas kaunting Material Defect, Mas mahinang Photorefractive Effect, Mas Stability
Sa una, ang mga modulator ng LNOI ay madalas na nagpapakita ng bias point drift, pangunahin dahil sa akumulasyon ng singil na dulot ng mga depekto sa interface ng waveguide. Kung hindi ginagamot, ang mga device na ito ay maaaring tumagal ng hanggang isang araw bago mag-stabilize. Gayunpaman, ang iba't ibang pamamaraan ay binuo upang matugunan ang isyung ito, tulad ng paggamit ng metal oxide cladding, substrate polarization, at annealing, na ginagawang mas madaling pamahalaan ang problemang ito ngayon.
Sa kabaligtaran, ang LTOI ay may mas kaunting mga materyal na depekto, na humahantong sa makabuluhang nabawasan na mga drift phenomena. Kahit na walang karagdagang pagproseso, ang operating point nito ay nananatiling medyo matatag. Ang mga katulad na resulta ay iniulat ng EPFL, Harvard, at Zhejiang University. Gayunpaman, ang paghahambing ay kadalasang gumagamit ng mga hindi ginagamot na LNOI modulators, na maaaring hindi ganap na patas; sa pagproseso, ang pagganap ng parehong mga materyales ay malamang na magkatulad. Ang pangunahing pagkakaiba ay nasa LTOI na nangangailangan ng mas kaunting karagdagang mga hakbang sa pagproseso.
②Lower Birefringence: 0.004 vs 0.07
Ang mataas na birefringence ng lithium niobate (LNOI) ay maaaring maging mahirap minsan, lalo na't ang waveguide bends ay maaaring magdulot ng mode coupling at mode hybridization. Sa manipis na LNOI, ang isang liko sa waveguide ay maaaring bahagyang i-convert ang TE light sa TM light, na nagpapakumplikado sa paggawa ng ilang mga passive device, tulad ng mga filter.
Sa LTOI, inaalis ng mababang birefringence ang isyung ito, na posibleng gawing mas madali ang pagbuo ng mga passive device na may mataas na pagganap. Ang EPFL ay nag-ulat din ng mga kapansin-pansing resulta, na ginagamit ang mababang birefringence ng LTOI at kawalan ng mode-crossing upang makamit ang ultra-wide-spectrum electro-optic frequency comb generation na may flat dispersion control sa malawak na spectral range. Nagresulta ito sa isang kahanga-hangang 450 nm comb bandwidth na may higit sa 2000 comb lines, ilang beses na mas malaki kaysa sa kung ano ang maaaring makamit gamit ang lithium niobate. Kung ikukumpara sa Kerr optical frequency combs, ang mga electro-optic comb ay nag-aalok ng kalamangan ng pagiging threshold-free at mas matatag, kahit na nangangailangan sila ng high-power microwave input.
③Mas Mataas na Optical Damage Threshold
Ang optical damage threshold ng LTOI ay dalawang beses kaysa sa LNOI, na nag-aalok ng kalamangan sa mga nonlinear na application (at potensyal na hinaharap na Coherent Perfect Absorption (CPO) na mga application). Ang kasalukuyang mga antas ng kapangyarihan ng optical module ay malamang na hindi makapinsala sa lithium niobate.
④Mababang Raman Effect
Nauukol din ito sa mga nonlinear na application. Ang Lithium niobate ay may malakas na Raman effect, na sa Kerr optical frequency comb application ay maaaring humantong sa hindi gustong Raman light generation at makakuha ng kumpetisyon, na pumipigil sa x-cut lithium niobate optical frequency combs na maabot ang soliton state. Sa LTOI, ang Raman effect ay maaaring pigilan sa pamamagitan ng crystal orientation na disenyo, na nagpapahintulot sa x-cut LTOI na makamit ang soliton optical frequency comb generation. Nagbibigay-daan ito sa monolitikong pagsasama ng soliton optical frequency combs na may mga high-speed modulators, isang gawaing hindi makakamit sa LNOI.
◆ Bakit Hindi Naunang Nabanggit ang Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI)?
Ang Lithium tantalate ay may mas mababang temperatura ng Curie kaysa sa lithium niobate (610°C kumpara sa 1157°C). Bago ang pagbuo ng heterointegration technology (XOI), ang mga lithium niobate modulator ay ginawa gamit ang titanium diffusion, na nangangailangan ng annealing sa higit sa 1000°C, na ginagawang hindi angkop ang LTOI. Gayunpaman, sa pagbabago ngayon patungo sa paggamit ng mga substrate ng insulator at pag-ukit ng waveguide para sa pagbuo ng modulator, ang 610°C Curie na temperatura ay higit pa sa sapat.
◆ Papalitan ba ng Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) ang Thin-Film Lithium Niobate (TFLN)?
Batay sa kasalukuyang pananaliksik, nag-aalok ang LTOI ng mga bentahe sa passive performance, stability, at malakihang gastos sa produksyon, na walang maliwanag na mga disbentaha. Gayunpaman, hindi nahihigitan ng LTOI ang lithium niobate sa pagganap ng modulasyon, at may mga kilalang solusyon ang mga isyu sa katatagan sa LNOI. Para sa mga module ng DR ng komunikasyon, may kaunting pangangailangan para sa mga passive na bahagi (at maaaring gamitin ang silicon nitride kung kinakailangan). Bukod pa rito, ang mga bagong pamumuhunan ay kinakailangan upang muling itatag ang mga proseso ng pag-ukit sa antas ng wafer, mga diskarte sa heterointegration, at pagsubok sa pagiging maaasahan (ang kahirapan sa pag-ukit ng lithium niobate ay hindi ang waveguide ngunit ang pagkamit ng mataas na ani na pag-ukit sa antas ng wafer). Samakatuwid, upang makipagkumpitensya sa itinatag na posisyon ng lithium niobate, maaaring kailanganin ng LTOI na tumuklas ng higit pang mga pakinabang. Gayunpaman, sa akademiko, nag-aalok ang LTOI ng makabuluhang potensyal sa pananaliksik para sa pinagsamang on-chip system, tulad ng mga octave-spanning electro-optic combs, PPLT, soliton at AWG wavelength division device, at array modulators.
Oras ng post: Nob-08-2024