Vật liệu lithium tantalate màng mỏng (LTOI) đang nổi lên như một động lực mới đáng kể trong lĩnh vực quang học tích hợp. Năm nay, một số công trình nghiên cứu cấp cao về bộ điều biến LTOI đã được công bố, với các tấm wafer LTOI chất lượng cao do Giáo sư Xin Ou từ Viện Công nghệ Vi hệ thống và Thông tin Thượng Hải cung cấp, và các quy trình khắc ống dẫn sóng chất lượng cao được phát triển bởi nhóm của Giáo sư Kippenberg tại EPFL, Thụy Sĩ. 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, độ ổn định cao.
Là một vật liệu có cấu trúc tương tự như niobat lithi màng mỏng (LNOI), LTOI giữ lại đặc tính điều biến tốc độ cao và tổn hao thấp của niobat lithi đồng thời mang lại những ưu điểm như chi phí thấp, độ khúc xạ kép thấp và giảm thiểu hiệu ứng quang điện. Bảng so sánh các đặc điểm chính của hai vật liệu được trình bày dưới đây.
◆ Những 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 đơn mode, bán kính uốn cong và kích thước các thiết bị thụ động thông thường dựa trên cả hai vật liệu đều rất giống nhau, và hiệu suất ghép nối sợi quang của chúng cũng tương đương. Với quá trình khắc ống dẫn sóng tốt, cả hai vật liệu đều có thể đạt được tổn hao chèn là<0,1 dB/cm. EPFL báo cáo tổn hao dẫn sóng là 5,6 dB/m.
②Hệ số điện quang:30,5 chiều/V so với 30,9 chiều/V
Hiệu suất điều biến của cả hai vật liệu là tương đương nhau, với cơ chế điều biến dựa trên hiệu ứng Pockels, cho phép băng thông cao. Hiện nay, bộ điều biến LTOI có khả năng đạt hiệu suất 400G mỗi làn, với băng thông vượt quá 110 GHz.
③Khoảng cách vùng cấm: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 nhìn thấy được đến hồng ngoại, không hấp thụ trong các dải tần truyền thông.
④Hệ số phi tuyến bậc hai (d33):21 giờ/ngày/tháng 8 so với 27 giờ/ngày/tháng 8
Nếu được sử dụng cho các ứng dụng phi tuyến tính như tạo sóng hài bậc hai (SHG), tạo tần số chênh lệch (DFG) hoặc tạo tần số tổng (SFG), hiệu suất chuyển đổi của hai vật liệu này sẽ khá tương đồng.
◆ Lợi thế về chi phí của LTOI so với LNOI
①Giảm chi phí chuẩn bị tấm bán dẫn
Công nghệ LNOI yêu cầu cấy ion He để tách lớp, có hiệu suất ion hóa thấp. Ngược lại, công nghệ LTOI sử dụng cấy ion H để tách lớp, tương tự như SOI, với hiệu suất tách lớp cao hơn LNOI hơn 10 lần. Điều này dẫn đến sự khác biệt đáng kể về giá thành đối với các tấm wafer 6 inch: 300 đô la so với 2000 đô la, 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 đơn vị 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 quang điện yếu hơn, độ ổn định cao hơn.
Ban đầu, các bộ điều biến LNOI thường gặp hiện tượng trôi điểm phân cực, chủ yếu do sự tích tụ điện tích gây ra bởi các khuyết tật tại 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 chất nền và ủ nhiệt, giúp vấn đề này hiện nay phần lớn đã được kiểm soát.
Ngược lại, LTOI có ít khuyết tật vật liệu hơn, dẫn đến hiện tượng trôi dạt giảm đáng kể. Ngay cả khi không qua xử lý bổ sung, điểm hoạt động 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, sự so sánh thường sử dụng bộ điều biến LNOI chưa qua 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
Độ lưỡng chiết cao của niobat lithi (LNOI) đôi khi có thể gây khó khăn, đặc biệt là khi các khúc uốn của ống dẫn sóng có thể gây ra hiện tượng ghép nối và lai hóa chế độ. Trong LNOI mỏng, một khúc uốn trong ống dẫn sóng có thể chuyển đổi một phần ánh sáng TE thành ánh sáng TM, làm phức tạp quá trình chế tạo một số thiết bị thụ động, chẳng hạn như bộ lọc.
Với LTOI, độ lưỡng chiết thấp hơn giúp loại bỏ vấn đề này, có khả năng giúp dễ dàng hơn trong việc phát triển các thiết bị thụ động hiệu suất cao. EPFL cũng đã báo cáo những kết quả đáng chú ý, tận dụng độ lưỡng chiết thấp và sự vắng mặt của hiện tượng giao thoa mode của LTOI để tạo ra dải 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 dải tần số ấn tượng 450 nm với hơn 2000 vạch phổ, lớn hơn nhiều lần so với những gì có thể đạt được với lithium niobate. So với dải tần số quang Kerr, dải tần số 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 cao gấp đôi so với LNOI, mang lại lợi thế trong các ứng dụng phi tuyến tính (và có thể cả các ứng dụng Hấp thụ Hoàn hảo Đồng nhất (CPO) trong tương lai). Mức công suất của các mô-đun quang học hiện tại khó có thể gây hư hại cho lithium niobate.
④Hiệu ứng Raman thấp
Điều này cũng liên quan đến các ứng dụng phi tuyến tính. Lithium niobate có hiệu ứng Raman mạnh, trong các ứng dụng lược tần quang Kerr có thể dẫn đến sự phát sinh ánh sáng Raman không mong muốn và cạnh tranh độ khuếch đại, ngăn cản lược tần quang lithium niobate cắt theo trục 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 theo trục x đạt được sự tạo ra lược tần quang soliton. Điều này cho phép tích hợp nguyên khối lược tần quang soliton với bộ điều biến tốc độ cao, một điều không thể đạt được với LNOI.
◆ Tại sao màng mỏng lithium tantalat (LTOI) không được đề cập trước đó?
Lithium tantalat có nhiệt độ Curie thấp hơn lithium niobat (610°C so với 1157°C). Trước khi công nghệ tích hợp dị thể (XOI) được phát triển, các bộ điều biến lithium niobat được sản xuất bằng phương pháp khuếch tán titan, đòi hỏi quá trình ủ ở nhiệt độ trên 1000°C, khiến LTOI không phù hợp. Tuy nhiên, với xu hướng hiện nay chuyển sang sử dụng chất nền cách điện và khắc ống dẫn sóng để tạo thành bộ điều biến, nhiệt độ Curie 610°C là quá đủ.
◆ Liệu màng mỏng lithium tantalat (LTOI) có thay thế được màng mỏng lithium niobat (TFLN) không?
Dựa trên các nghiên cứu hiện tại, LTOI mang lại những ưu điểm về hiệu năng 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 năng điều chế, và các vấn đề về độ ổn định của LNOI đã có giải pháp. Đối với các mô-đun DR truyền thông, nhu cầu về các linh kiện 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 ở cấp độ wafer, kỹ thuật tích hợp dị thể và kiểm tra độ tin cậy (khó khăn trong việc khắc lithium niobate không phải là ống dẫn sóng mà là đạt được hiệu suất cao trong việc khắc ở cấp độ wafer). Do đó, để cạnh tranh với vị thế đã được thiết lập của lithium niobate, LTOI có thể cần phải tìm ra thêm những ưu điểm 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 rộng quãng tám, PPLT, các thiết bị phân chia bước sóng soliton và AWG, và bộ điều biến mảng.
Thời gian đăng bài: 08/11/2024