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 cấp cao về bộ điều biến LTOI đã được xuất bản, với các tấm wafer LTOI chất lượng cao do Giáo sư Xin Ou từ Viện Vi hệ thống và Công nghệ thông tin Thượng Hải cung cấp, cũng như các quy trình khắc ống dẫn sóng chất lượng cao do nhóm của Giáo sư Kippenberg tại EPFL phát triển. , Thụy Sĩ. Những nỗ lực hợp tác của họ đã cho thấy kết quả ấn tượng. Ngoài ra, các nhóm nghiên cứu từ Đại học Chiết Giang do Giáo sư Liu Liu đứng đầu và Đại học Harvard do Giáo sư Loncar đứng đầu cũng đã báo cáo về bộ điều biến LTOI tốc độ cao, 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, độ lưỡng chiết thấp và giảm hiệu ứng khúc xạ quang. Một 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)
①Chỉ số khúc xạ:2,12 so với 2,21
Điều này ngụ ý rằng kích thước ống dẫn sóng chế độ đơn, bán kính uốn 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 sự mất mát chèn<0,1dB/cm. EPFL báo cáo tổn thất ống dẫn sóng là 5,6 dB/m.
②Hệ số quang điện:30,5 chiều/V so với 30,9 chiều/V
Hiệu suất điều chế có thể so sánh được đối với cả hai vật liệu, với khả năng điều chế dựa trên hiệu ứng Pockels, cho phép băng thông cao. Hiện tại, bộ điều biến LTOI có khả năng đạt hiệu suất 400G trên mỗi làn, với băng thông vượt quá 110 GHz.
③Băng thông:3,93 eV so với 3,78 eV
Cả hai vật liệu đều có cửa sổ rộng trong suốt, hỗ trợ các ứng dụng từ bước sóng nhìn thấy đến hồng ngoại, không bị hấp thụ ở các dải truyền thông.
④Hệ số phi tuyến bậc hai (d33):21 giờ tối/V so với 27 giờ tối/V
Nếu được sử dụng cho các ứng dụng phi tuyến như tạo sóng hài bậc hai (SHG), tạo tần số chênh lệch (DFG) hoặc tạo tần số tổng (SFG), thì hiệu suất chuyển đổi của hai vật liệu 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, có hiệu suất ion hóa thấp. Ngược lại, LTOI sử dụng phương pháp cấy ion H để phân 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 tấm wafer 6 inch: 300 USD so với 2000 USD, giảm 85% chi phí.
②Nó đã được sử dụng rộng rãi trong thị trường điện tử tiêu dùng cho các 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, ổn định hơn
Ban đầu, bộ điều biến LNOI thường có hiện tượng lệch điểm, chủ yếu là do sự tích tụ điện tích gây ra bởi các khuyết tật ở bề mặt phân cách của ống dẫn sóng. Nếu không được điều trị, các thiết bị này có thể mất tới một ngày để ổn định. Tuy nhiên, nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển để giải quyết vấn đề này, chẳng hạn như sử dụng lớp phủ oxit kim loại, phân cực chất nền và ủ, khiến vấn đề này hiện nay phần lớn có thể giải quyết được.
Ngược lại, LTOI có ít khuyết tật vật liệu hơn nên hiện tượng trôi dạt giảm đáng kể. Ngay cả khi không cần xử lý bổ sung, điểm vận hành của nó vẫn tương đối ổn định. Kết quả tương tự đã được báo cáo bởi EPFL, Harvard và Đại học Chiết Giang. Tuy nhiên, việc so sánh thường sử dụng các bộ điều biến LNOI chưa được xử lý, điều này có thể không hoàn toàn công bằng; với quá trình xử lý, hiệu suất của cả hai vật liệu có thể tương tự nhau. Sự khác biệt chính nằm ở chỗ LTOI yêu cầu ít bước xử lý bổ sung hơn.
②Độ lưỡng chiết thấp hơn: 0,004 so với 0,07
Khả năng lưỡng chiết cao của lithium niobate (LNOI) đôi khi có thể gặp khó khăn, đặc biệt khi sự uốn cong của ống dẫn sóng có thể gây ra sự ghép mode và lai mode. Trong LNOI mỏng, một chỗ uốn cong trong 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 nhất định, như bộ lọc.
Với LTOI, độ lưỡng chiết thấp hơn sẽ 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 khả năng lưỡng chiết thấp và không có giao thoa chế độ của LTOI để đạt được việc tạo ra lược tần số quang điện phổ cực rộng với khả năng kiểm soát phân tán phẳng trên một dải phổ rộng. Điều này dẫn đến băng thông lược ấn tượng 450 nm với hơn 2000 dòng lược, lớn hơn nhiều lần so với băng thông có thể đạt được với lithium niobate. So với các lược tần quang Kerr, lược quang điện có ưu điểm là không có ngưỡng và ổn định hơn, mặc dù chúng yêu cầu đầu vào vi sóng công suất cao.
③Ngưỡng thiệt hại quang học cao hơn
Ngưỡng thiệt hại quang học của LTOI gấp đôi so với LNOI, mang lại lợi thế trong các ứng dụng phi tuyến tính (và các ứng dụng Hấp thụ hoàn hảo kết hợp (CPO) tiềm năng 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 liên quan đến các ứng dụng phi tuyến. 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 gây ra sự cạnh tranh, ngăn chặn các lược tần số quang lithium niobate cắt x đạt đến trạng thái soliton. Với LTOI, hiệu ứng Raman có thể bị triệt tiêu thông qua thiết kế định hướng tinh thể, cho phép LTOI cắt x đạt được khả năng tạo lược tần số quang soliton. Điều này cho phép tích hợp nguyên khối các tổ hợp tần số quang soliton với 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 phát triển công nghệ dị hợp nhất (XOI), bộ 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 đổi ngày nay sang sử dụng chất nền cách điện và phương pháp khắc ống dẫn sóng để hình thành bộ điều biến, nhiệt độ Curie 610°C là quá đủ.
◆ Liệu 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, tính ổn định và chi phí sản xuất quy mô lớn mà không có nhược điểm rõ ràng. Tuy nhiên, LTOI không vượt qua lithium niobate về hiệu suất điều chế và các vấn đề về độ ổn định với LNOI đều đã có giải pháp. Đối với các mô-đun DR truyền thông, nhu cầu về các thành phần thụ động là tối thiểu (và có thể sử dụng silicon nitride nếu cần). Ngoài ra, cần có các khoản đầu tư mới để thiết lập lại các quy trình khắc axit ở cấp độ wafer, kỹ thuật dị hợp và kiểm tra độ tin cậy (khó khăn với việc khắc axit lithium niobate không phải là ống dẫn sóng mà là đạt được khả năng khắc mòn ở cấp độ wafer năng suất cao). Vì vậy, để cạnh tranh với vị thế đã có của lithium niobate, LTOI có thể cần phát huy thêm những lợi thế khác. 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 trải dài quãng tám, PPLT, thiết bị phân chia bước sóng soliton và AWG và bộ điều biến mảng.
Thời gian đăng: Nov-08-2024