Ang materyal na Thin-film lithium tantalate (LTOI) ay umuusbong bilang isang mahalagang bagong puwersa sa larangan ng integrated optics. Ngayong taon, ilang mga mataas na antas ng pag-aaral sa mga LTOI modulator ang nailathala, kasama ang mga de-kalidad na LTOI wafer na ibinigay ni Propesor 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 Propesor Kippenberg sa EPFL, Switzerland. Ang kanilang mga pagsisikap sa pakikipagtulungan ay nagpakita ng mga kahanga-hangang resulta. Bukod pa rito, 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 high-speed at high-stability na LTOI modulator.
Bilang isang malapit na kamag-anak ng thin-film lithium niobate (LNOI), pinapanatili ng LTOI ang mga katangian ng high-speed modulation at low-loss ng lithium niobate habang nag-aalok din ng mga bentahe tulad ng mababang gastos, mababang birefringence, at nabawasang photorefractive effects. Ang paghahambing ng mga pangunahing katangian ng dalawang materyales ay ipinapakita sa ibaba.
◆ Mga Pagkakatulad sa pagitan ng Lithium Tantalate (LTOI) at Lithium Niobate (LNOI)
①Indeks ng Repraktibo:2.12 laban sa 2.21
Ipinahihiwatig nito na ang mga dimensyon ng single-mode waveguide, bending radius, at mga karaniwang laki ng passive device batay sa parehong materyales ay halos magkapareho, at ang kanilang fiber coupling performance ay maihahambing din. Sa pamamagitan ng mahusay na waveguide etching, ang parehong materyales ay maaaring makamit ang insertion loss na<0.1 dB/cm. Ang EPFL ay nag-uulat ng waveguide loss na 5.6 dB/m.
②Koepisyent ng Elektro-optiko:30.5 pm/V laban sa 30.9 pm/V
Ang kahusayan ng modulasyon ay maihahambing para sa parehong materyales, kung saan ang modulasyon ay batay sa epekto ng Pockels, na nagpapahintulot para sa mataas na bandwidth. Sa kasalukuyan, ang mga LTOI modulator ay may kakayahang makamit ang 400G bawat lane na pagganap, na may bandwidth na higit sa 110 GHz.
③Bandgap:3.93 eV laban sa 3.78 eV
Ang parehong materyales ay may malawak na transparent na bintana, na sumusuporta sa mga aplikasyon mula sa nakikita hanggang sa infrared na mga wavelength, na walang pagsipsip sa mga communication band.
④Koepisyent na Hindi Linya ng Pangalawang Order (d33):21 pm/V laban sa 27 pm/V
Kung gagamitin para sa mga nonlinear na aplikasyon tulad ng second harmonic generation (SHG), difference-frequency generation (DFG), o sum-frequency generation (SFG), ang conversion efficiency ng dalawang materyales ay dapat na halos magkapareho.
◆ Kalamangan sa Gastos ng LTOI kumpara sa LNOI
①Mas Mababang Gastos sa Paghahanda ng Wafer
Kinakailangan ng LNOI ang He ion implantation para sa paghihiwalay ng layer, na may mababang ionization efficiency. Sa kabaligtaran, ginagamit ng LTOI ang H ion implantation para sa paghihiwalay, katulad ng SOI, na may delamination efficiency na mahigit 10 beses na mas mataas kaysa sa LNOI. Nagreresulta ito sa isang malaking pagkakaiba sa presyo para sa 6-inch wafers: $300 vs. $2000, isang 85% na pagbawas sa gastos.
②Malawakan na itong ginagamit sa merkado ng mga consumer electronics para sa mga acoustic filter.(750,000 yunit taun-taon, ginagamit ng Samsung, Apple, Sony, atbp.).
◆ Mga Bentahe sa Pagganap ng LTOI vs LNOI
①Mas Kaunting Depekto sa Materyal, Mas Mahinang Epekto ng Photorefractive, Mas Matatag
Sa simula, ang mga LNOI modulator ay kadalasang nagpapakita ng bias point drift, pangunahin dahil sa akumulasyon ng karga na dulot ng mga depekto sa interface ng waveguide. Kung hindi magagamot, ang mga device na ito ay maaaring tumagal ng hanggang isang araw upang maging matatag. Gayunpaman, iba't ibang mga pamamaraan ang 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 depekto sa materyal, na humahantong sa makabuluhang pagbawas ng mga penomenong drift. Kahit na walang karagdagang pagproseso, ang operating point nito ay nananatiling medyo matatag. Ang mga katulad na resulta ay naiulat ng EPFL, Harvard, at Zhejiang University. Gayunpaman, ang paghahambing ay kadalasang gumagamit ng mga hindi ginagamot na LNOI modulator, na maaaring hindi lubos na patas; sa pagproseso, ang pagganap ng parehong materyales ay malamang na magkatulad. Ang pangunahing pagkakaiba ay nasa LTOI na nangangailangan ng mas kaunting karagdagang mga hakbang sa pagproseso.
②Mas Mababang Birefringence: 0.004 vs 0.07
Ang mataas na birefringence ng lithium niobate (LNOI) ay maaaring maging mahirap paminsan-minsan, lalo na dahil ang mga waveguide bends ay maaaring maging sanhi ng mode coupling at mode hybridization. Sa manipis na LNOI, ang isang liko sa waveguide ay maaaring bahagyang mag-convert ng TE light sa TM light, na nagpapakomplikado sa paggawa ng ilang passive device, tulad ng mga filter.
Sa LTOI, inaalis ng mas mababang birefringence ang isyung ito, na posibleng nagpapadali sa pagbuo ng mga high-performance passive device. Nag-ulat din ang EPFL ng mga kapansin-pansing resulta, gamit 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 kahanga-hangang 450 nm comb bandwidth na may mahigit 2000 comb lines, ilang beses na mas malaki kaysa sa makakamit gamit ang lithium niobate. Kung ikukumpara sa Kerr optical frequency combs, ang electro-optic combs ay nag-aalok ng bentahe ng pagiging walang threshold at mas matatag, bagama't nangangailangan ang mga ito ng high-power microwave input.
③Mas Mataas na Optical Damage Threshold
Ang optical damage threshold ng LTOI ay doble kaysa sa LNOI, na nag-aalok ng kalamangan sa mga nonlinear na aplikasyon (at posibleng mga aplikasyon ng Coherent Perfect Absorption (CPO) sa hinaharap). Ang kasalukuyang antas ng lakas ng optical module ay malamang na hindi makapinsala sa lithium niobate.
④Mababang Epekto ng Raman
Nalalapat din ito sa mga nonlinear na aplikasyon. Ang Lithium niobate ay may malakas na Raman effect, na sa mga aplikasyon ng Kerr optical frequency comb ay maaaring humantong sa hindi gustong pagbuo ng Raman light at makakuha ng kompetisyon, na pumipigil sa x-cut lithium niobate optical frequency comb na maabot ang soliton state. Gamit ang LTOI, ang Raman effect ay maaaring mapigilan sa pamamagitan ng crystal orientation design, na nagpapahintulot sa x-cut LTOI na makamit ang soliton optical frequency comb generation. Nagbibigay-daan ito sa monolithic integration ng soliton optical frequency comb na may mga high-speed modulator, isang gawaing hindi makakamit sa LNOI.
◆ Bakit Hindi Nabanggit ang Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) kanina?
Ang Lithium tantalate ay may mas mababang temperaturang Curie kaysa sa lithium niobate (610°C vs. 1157°C). Bago pa man maunlad ang teknolohiyang heterointegration (XOI), ang mga lithium niobate modulator ay ginawa gamit ang titanium diffusion, na nangangailangan ng annealing sa mahigit 1000°C, kaya hindi angkop ang LTOI. Gayunpaman, dahil sa paglipat ngayon patungo sa paggamit ng mga insulator substrate at waveguide etching para sa pagbuo ng modulator, ang 610°C na temperaturang Curie ay higit pa sa sapat.
◆ Papalitan ba ng Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) ang Thin-Film Lithium Niobate (TFLN)?
Batay sa kasalukuyang pananaliksik, ang LTOI ay nag-aalok ng mga bentahe sa passive performance, stability, at malawakang gastos sa produksyon, nang walang anumang nakikitang disbentaha. Gayunpaman, hindi nalalagpasan ng LTOI ang lithium niobate sa modulation performance, at ang mga isyu sa stability sa LNOI ay may mga kilalang solusyon. Para sa mga communication DR module, minimal lang ang demand para sa mga passive component (at maaaring gamitin ang silicon nitride kung kinakailangan). Bukod pa rito, kinakailangan ang mga bagong pamumuhunan upang muling maitatag ang mga proseso ng wafer-level etching, mga pamamaraan ng heterointegration, at reliability testing (ang kahirapan sa lithium niobate etching ay hindi ang waveguide kundi ang pagkamit ng high-yield wafer-level etching). Samakatuwid, upang makipagkumpitensya sa naitatag na posisyon ng lithium niobate, maaaring kailanganin ng LTOI na tuklasin ang mga karagdagang bentahe. Gayunpaman, sa akademikong aspeto, ang LTOI ay nag-aalok ng makabuluhang potensyal sa pananaliksik para sa mga integrated on-chip system, tulad ng octave-spanning electro-optic combs, PPLT, soliton at AWG wavelength division device, at array modulators.
Oras ng pag-post: Nob-08-2024