Vật liệu lithium tantalate màng mỏng (LTOI) đang nổi lên như một thế lực mới đáng kể trong lĩnh vực quang học tích hợp. Năm nay, một số công trình nghiên cứu chuyên sâu về bộ điều biến LTOI đã được công bố, bao gồm các tấm wafer LTOI chất lượng cao do Giáo sư Xin Ou từ Viện Vi hệ và Công nghệ Thông tin Thượng Hải cung cấp, và các quy trình khắc ống dẫn sóng chất lượng cao do nhóm của Giáo sư Kippenberg tại EPFL, Thụy Sĩ phát triển. Những nỗ lực hợp tác của họ đã cho thấy những kết quả ấn tượng. Ngoài ra, các nhóm nghiên cứu từ Đại học Chiết Giang do Giáo sư Liu Liu dẫn đầu và Đại học Harvard do Giáo sư Loncar dẫn đầu cũng đã báo cáo về các bộ điều biến LTOI tốc độ cao và độ ổn định cao.
Là họ hàng gần của lithium niobate màng mỏng (LNOI), LTOI vẫn giữ được đặc tính điều chế tốc độ cao và tổn thất thấp của lithium niobate, đồng thời mang lại những ưu điểm như chi phí thấp, lưỡng chiết thấp và giảm hiệu ứng quang chiết. So sánh các đặc điểm chính của hai vật liệu được trình bày dưới đây.
◆ Điểm tương đồng giữa Lithium Tantalate (LTOI) và Lithium Niobate (LNOI)
①Chiết suất:2,12 so với 2,21
Điều này ngụ ý rằng kích thước ống dẫn sóng đơn mode, bán kính uốn cong và kích thước thiết bị thụ động phổ biến dựa trên cả hai vật liệu đều rất giống nhau, và hiệu suất ghép sợi của chúng cũng tương đương nhau. Với khả năng khắc ống dẫn sóng tốt, cả hai vật liệu đều có thể đạt được suy hao chèn là<0,1 dB/cm. EPFL báo cáo mức suy giảm ống dẫn sóng là 5,6 dB/m.
②Hệ số điện quang:30,5 pm/V so với 30,9 pm/V
Hiệu suất điều chế của cả hai vật liệu là tương đương nhau, với điều chế dựa trên hiệu ứng Pockels, cho phép đạt băng thông cao. Hiện tại, bộ điều chế LTOI có khả năng đạt hiệu suất 400G mỗi làn, với băng thông vượt quá 110 GHz.
③Khoảng cách băng thông:3,93 eV so với 3,78 eV
Cả hai vật liệu đều có cửa sổ trong suốt rộng, hỗ trợ các ứng dụng từ bước sóng khả kiến đến hồng ngoại, không bị hấp thụ trong các dải truyền thông.
④Hệ số phi tuyến tính bậc hai (d33):21 giờ tối/V so với 27 giờ tối/V
Nếu được sử dụng cho các ứng dụng phi tuyến tính như tạo sóng hài bậc hai (SHG), tạo sóng chênh lệch tần số (DFG) hoặc tạo sóng tổng tần số (SFG), hiệu suất chuyển đổi của hai vật liệu này sẽ khá giống nhau.
◆ Lợi thế về chi phí của LTOI so với LNOI
①Chi phí chuẩn bị wafer thấp hơn
LNOI yêu cầu cấy ion He để tách lớp, vốn có hiệu suất ion hóa thấp. Ngược lại, LTOI sử dụng cấy ion H để tách, tương tự như SOI, với hiệu suất tách lớp cao hơn LNOI hơn 10 lần. Điều này dẫn đến sự chênh lệch giá đáng kể cho wafer 6 inch: 300 đô la so với 2000 đô la, giảm 85% chi phí.
②Nó đã được sử dụng rộng rãi trên thị trường điện tử tiêu dùng cho bộ lọc âm thanh(750.000 chiếc mỗi năm, được sử dụng bởi Samsung, Apple, Sony, v.v.).
◆ Ưu điểm về hiệu suất của LTOI so với LNOI
①Ít khuyết tật vật liệu hơn, hiệu ứng khúc xạ ánh sáng yếu hơn, độ ổn định cao hơn
Ban đầu, các bộ điều biến LNOI thường bị trôi điểm phân cực, chủ yếu do tích tụ điện tích do các khuyết tật ở giao diện ống dẫn sóng. Nếu không được xử lý, các thiết bị này có thể mất đến một ngày để ổn định. Tuy nhiên, nhiều phương pháp đã được phát triển để giải quyết vấn đề này, chẳng hạn như sử dụng lớp phủ oxit kim loại, phân cực đế và ủ, giúp vấn đề này phần lớn có thể kiểm soát được hiện nay.
Ngược lại, LTOI có ít khuyết tật vật liệu hơn, dẫn đến hiện tượng trôi dạt giảm đáng kể. Ngay cả khi không có quá trình xử lý bổ sung, điểm hoạt động của nó vẫn tương đối ổn định. EPFL, Harvard và Đại học Chiết Giang đã báo cáo những kết quả tương tự. Tuy nhiên, việc so sánh thường sử dụng các chất điều biến LNOI chưa qua xử lý, điều này có thể không hoàn toàn công bằng; sau khi qua quá trình xử lý, hiệu suất của cả hai vật liệu có thể tương đương nhau. Sự khác biệt chính nằm ở chỗ LTOI cần ít bước xử lý bổ sung hơn.
②Độ lưỡng chiết thấp hơn: 0,004 so với 0,07
Độ lưỡng chiết cao của lithium niobate (LNOI) đôi khi có thể gây khó khăn, đặc biệt là khi độ cong của ống dẫn sóng có thể gây ra hiện tượng ghép mode và lai mode. Trong LNOI mỏng, độ cong của ống dẫn sóng có thể chuyển đổi một phần ánh sáng TE thành ánh sáng TM, làm phức tạp việc chế tạo một số thiết bị thụ động, chẳng hạn như bộ lọc.
Với LTOI, độ lưỡng chiết thấp hơn loại bỏ vấn đề này, có khả năng giúp phát triển các thiết bị thụ động hiệu suất cao dễ dàng hơn. EPFL cũng đã báo cáo những kết quả đáng chú ý, tận dụng độ lưỡng chiết thấp và không có hiện tượng giao thoa mode của LTOI để tạo ra lược tần số điện quang phổ cực rộng với khả năng kiểm soát tán sắc phẳng trên một dải phổ rộng. Điều này dẫn đến băng thông lược ấn tượng 450 nm với hơn 2000 vạch lược, lớn hơn nhiều lần so với những gì có thể đạt được với lithium niobate. So với lược tần số quang Kerr, lược điện quang có ưu điểm là không có ngưỡng và ổn định hơn, mặc dù chúng yêu cầu đầu vào vi sóng công suất cao.
③Ngưỡng hư hỏng quang học cao hơn
Ngưỡng hư hỏng quang học của LTOI gấp đôi so với LNOI, mang lại lợi thế trong các ứng dụng phi tuyến tính (và có thể là các ứng dụng Hấp thụ hoàn hảo mạch lạc (CPO) trong tương lai). Mức công suất mô-đun quang học hiện tại khó có thể làm hỏng lithium niobate.
④Hiệu ứng Raman thấp
Điều này cũng áp dụng cho các ứng dụng phi tuyến tính. Lithium niobate có hiệu ứng Raman mạnh, trong các ứng dụng lược tần số quang Kerr, có thể dẫn đến việc tạo ra ánh sáng Raman không mong muốn và tạo ra sự cạnh tranh, ngăn cản lược tần số quang lithium niobate cắt x đạt đến trạng thái soliton. Với LTOI, hiệu ứng Raman có thể được triệt tiêu thông qua thiết kế định hướng tinh thể, cho phép LTOI cắt x đạt được việc tạo lược tần số quang soliton. Điều này cho phép tích hợp nguyên khối các lược tần số quang soliton với các bộ điều biến tốc độ cao, một kỳ tích không thể đạt được với LNOI.
◆ Tại sao Lithium Tantalate màng mỏng (LTOI) không được đề cập trước đó?
Lithium tantalate có nhiệt độ Curie thấp hơn lithium niobate (610°C so với 1157°C). Trước khi công nghệ tích hợp dị thể (XOI) phát triển, các chất điều biến lithium niobate được sản xuất bằng phương pháp khuếch tán titan, đòi hỏi phải ủ ở nhiệt độ trên 1000°C, khiến LTOI không phù hợp. Tuy nhiên, với sự chuyển dịch hiện nay sang sử dụng chất nền cách điện và khắc ống dẫn sóng để hình thành chất điều biến, nhiệt độ Curie 610°C là quá đủ.
◆ Lithium Tantalate màng mỏng (LTOI) có thay thế Lithium Niobate màng mỏng (TFLN) không?
Dựa trên nghiên cứu hiện tại, LTOI mang lại lợi thế về hiệu suất thụ động, độ ổn định và chi phí sản xuất quy mô lớn mà không có nhược điểm rõ ràng nào. Tuy nhiên, LTOI không vượt trội hơn lithium niobate về hiệu suất điều chế và các vấn đề về độ ổn định với LNOI đã có giải pháp. Đối với các mô-đun DR truyền thông, nhu cầu về các linh kiện thụ động là rất nhỏ (và có thể sử dụng silicon nitride nếu cần). Ngoài ra, cần có các khoản đầu tư mới để thiết lập lại quy trình khắc cấp wafer, kỹ thuật tích hợp dị thể và thử nghiệm độ tin cậy (khó khăn với quá trình khắc lithium niobate không phải là ống dẫn sóng mà là đạt được quá trình khắc cấp wafer năng suất cao). Do đó, để cạnh tranh với vị thế đã được thiết lập của lithium niobate, LTOI có thể cần khám phá thêm các lợi thế. Tuy nhiên, về mặt học thuật, LTOI mang lại tiềm năng nghiên cứu đáng kể cho các hệ thống tích hợp trên chip, chẳng hạn như lược điện quang học mở rộng quãng tám, PPLT, thiết bị phân chia bước sóng soliton và AWG và bộ điều biến mảng.
Thời gian đăng: 08-11-2024