Thin-film lithium tantalate (LTOI): The Next Star Material for High-Speed ​​Modulators?

Þunnfilmu litíum tantalat (LTOI) efni er að koma fram sem mikilvægur nýr kraftur á samþættu ljósfræðisviðinu. Á þessu ári hafa verið gefin út nokkur verk á háu stigi um LTOI mótara, með hágæða LTOI oblátum sem prófessor Xin Ou frá Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology útvegaði, og hágæða bylgjuleiðaraætingarferli þróað af hópi prófessors Kippenberg við EPFL , Sviss. Samstarf þeirra hefur sýnt glæsilegan árangur. Að auki hafa rannsóknarteymi frá Zhejiang háskóla undir forystu prófessors Liu Liu og Harvard háskóla undir forystu prófessors Loncar einnig greint frá háhraða, hástöðugleika LTOI mótara.

Sem náinn ættingi þunnfilmu litíumníóbats (LNOI), heldur LTOI háhraðamótun og lágtapareiginleikum litíumníóbats á sama tíma og það býður upp á kosti eins og lágan kostnað, lágan tvíbrjótingu og minni ljósbrotsáhrif. Samanburður á helstu eiginleikum efnanna tveggja er sýndur hér að neðan.

微信图片_20241106164015

◆ Líkindi milli litíumtantalats (LTOI) og litíumníóbats (LNOI)
Brotstuðull:2,12 á móti 2,21
Þetta gefur til kynna að einhams bylgjuleiðarastærðir, beygjuradíus og algengar óbeinar tækjastærðir byggðar á báðum efnum eru mjög svipaðar og trefjatengingarafköst þeirra eru einnig sambærileg. Með góðri bylgjuleiðaraætingu geta bæði efnin náð innsetningartapi upp á<0,1 dB/cm. EPFL tilkynnir um 5,6 dB/m bylgjuleiðaratap.

Sjónræn stuðull:30.5 pm/V á móti 30.9 pm/V
Mótun skilvirkni er sambærileg fyrir bæði efnin, með mótun byggt á Pockels áhrifum, sem gerir ráð fyrir mikilli bandbreidd. Eins og er, eru LTOI mótarar færir um að ná 400G afköstum á hverri braut, með bandbreidd yfir 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV á móti 3,78 eV
Bæði efnin eru með breiðan gagnsæjan glugga, sem styður við notkun frá sýnilegum til innrauðra bylgjulengda, án frásogs í samskiptaböndunum.

Önnur gráðu ólínulegur stuðull (d33):21:00/V á móti 27:00/V
Ef það er notað fyrir ólínuleg forrit eins og aðra harmoniku kynslóð (SHG), munur-tíðni kynslóð (DFG) eða summa-frequency generation (SFG), ætti umbreytingarskilvirkni efnanna tveggja að vera nokkuð svipuð.

◆ Kostnaðarkostur LTOI vs LNOI
Lægri undirbúningskostnaður fyrir oblátur
LNOI krefst He jónaígræðslu fyrir lagaðskilnað, sem hefur litla jónunarvirkni. Aftur á móti notar LTOI H jónaígræðslu fyrir aðskilnað, svipað og SOI, með aflögun skilvirkni yfir 10 sinnum hærri en LNOI. Þetta hefur í för með sér verulegan verðmun fyrir 6 tommu oblátur: $300 á móti $2000, 85% kostnaðarlækkun.

微信图片_20241106165545

Það er nú þegar mikið notað á neytenda raftækjamarkaði fyrir hljóðsíur(750.000 einingar árlega, notaðar af Samsung, Apple, Sony o.s.frv.).

微信图片_20241106165539

◆ Frammistöðukostir LTOI vs LNOI
Færri efnisgalla, veikari ljósbrotsáhrif, meiri stöðugleiki
Upphaflega sýndu LNOI mótarar oft hlutdrægni, fyrst og fremst vegna hleðslusöfnunar af völdum galla í bylgjuleiðaraviðmótinu. Ef þau eru ómeðhöndluð gætu þessi tæki tekið allt að einn dag að ná stöðugleika. Hins vegar voru þróaðar ýmsar aðferðir til að takast á við þetta vandamál, svo sem að nota málmoxíðklæðningu, pólun undirlags og glæðingu, sem gerir þetta vandamál að mestu viðráðanlegt núna.
Aftur á móti hefur LTOI færri efnisgalla, sem leiðir til verulega minnkaðra sviffyrirbæra. Jafnvel án viðbótarvinnslu er rekstrarpunktur þess tiltölulega stöðugur. Svipaðar niðurstöður hafa verið tilkynntar af EPFL, Harvard og Zhejiang háskólanum. Samt sem áður notar samanburðurinn oft ómeðhöndlaða LNOI mótara, sem er kannski ekki alveg sanngjarnt; með vinnslu er árangur beggja efnanna líklega svipaður. Helsti munurinn liggur í LTOI sem krefst færri viðbótarvinnsluþrepa.

微信图片_20241106165708

Neðri tvíbrjótur: 0,004 á móti 0,07
Hátt tvíbrot litíumníóbats (LNOI) getur stundum verið krefjandi, sérstaklega þar sem bylgjuleiðarabeygjur geta valdið hamtengingu og hamblöndun. Í þunnu LNOI getur beygja í bylgjuleiðaranum að hluta til umbreytt TE ljósi í TM ljós, sem flækir framleiðslu ákveðinna óvirkra tækja, eins og sía.
Með LTOI útilokar lægri tvíbrotið þetta vandamál, sem gerir það mögulega auðveldara að þróa afkastamikil óvirk tæki. EPFL hefur einnig greint frá athyglisverðum árangri, með því að nýta lágt tvíbrot LTOI og fjarveru ham-krossunar til að ná fram öfga-breiðvirkri raf-sjónræn tíðnikambamyndun með flatri dreifingarstýringu yfir breitt litrófsvið. Þetta leiddi til glæsilegrar 450 nm greiða bandbreidd með yfir 2000 greiða línum, nokkrum sinnum stærri en það sem hægt er að ná með litíum níóbat. Í samanburði við Kerr ljóstíðnikambur, bjóða rafsjónakambur upp á þann kost að vera þröskuldslausir og stöðugri, þó þeir krefjist örbylgjuinntaks með miklum krafti.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Hærri sjónskemmdaþröskuldur
Sjóntjónsþröskuldur LTOI er tvöfalt hærri en LNOI, sem býður upp á forskot í ólínulegum forritum (og hugsanlega framtíðarsamhengi fullkomið frásog (CPO) forrit). Núverandi aflmagn ljóseininga er ólíklegt til að skemma litíumníóbat.
Lág Raman áhrif
Þetta á einnig við um ólínuleg forrit. Lithium niobate hefur sterk Raman áhrif, sem í Kerr ljóstíðni greiða forritum getur leitt til óæskilegra Raman ljósmyndunar og aukið samkeppni, sem kemur í veg fyrir að x-cut lithium niobate sjón tíðni greiðar nái soliton ástandinu. Með LTOI er hægt að bæla niður Raman áhrifin með kristalstefnuhönnun, sem gerir x-cut LTOI kleift að ná fram soliton sjóntíðnakamba. Þetta gerir einhæfa samþættingu soliton optískra tíðnikamba með háhraðamótara, afrek sem ekki er hægt að ná með LNOI.
◆ Hvers vegna var ekki minnst á Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) fyrr?
Litíumtantalat hefur lægra Curie hitastig en litíumníóbat (610°C á móti 1157°C). Áður en heterointegration tækni (XOI) þróaðist, voru litíumníóbatmótarar framleiddir með títantreifingu, sem krefst glæðingar við yfir 1000°C, sem gerir LTOI óhentuga. Hins vegar, með breytingunni í dag í átt að því að nota einangrunarundirlag og bylgjuleiðaraætingu fyrir mótunarmyndun, er 610°C Curie hitastig meira en nóg.
◆ Mun Thin-Film Lithium Tantalate (LTOI) koma í stað Thin-Film Lithium Niobate (TFLN)?
Byggt á núverandi rannsóknum, LTOI býður upp á kosti í óvirkri frammistöðu, stöðugleika og stórum framleiðslukostnaði, án augljósra galla. Hins vegar fer LTOI ekki fram úr litíumníóbati í mótunarafköstum og stöðugleikavandamál með LNOI hafa þekktar lausnir. Fyrir samskipta DR einingar er lágmarks eftirspurn eftir óvirkum íhlutum (og kísilnítríð gæti verið notað ef þörf krefur). Að auki þarf nýjar fjárfestingar til að koma aftur á ætingarferlum á oblátustigi, heterósamþættingaraðferðum og áreiðanleikaprófum (erfiðleikarnir við litíumníóbatætingu var ekki bylgjuleiðarinn heldur að ná hámarks ætingu á oblátustigi). Þess vegna, til að keppa við staðfesta stöðu litíumníóbats, gæti LTOI þurft að afhjúpa frekari kosti. Fræðilega séð býður LTOI hins vegar upp á umtalsverða rannsóknarmöguleika fyrir samþætt kerfi á flís, svo sem áttunda-spennandi raf-sjónakambur, PPLT, soliton og AWG bylgjulengdarskiptingartæki og fylkismótara.


Pósttími: Nóv-08-2024