Тонкаплёнкавы матэрыял на аснове танталата літыя (LTOI) становіцца новай значнай сілай у галіне інтэгральнай оптыкі. У гэтым годзе было апублікавана некалькі высокакваліфікаваных прац па мадулятарах LTOI, прычым высакаякасныя пласціны LTOI былі прадастаўлены прафесарам Сінь Оу з Шанхайскага інстытута мікрасістэмных і інфармацыйных тэхналогій, а высакаякасныя працэсы травлення хваляводаў былі распрацаваны групай прафесара Кіпенберга ў EPFL, Швейцарыя. Іх сумесныя намаганні прадэманстравалі ўражлівыя вынікі. Акрамя таго, даследчыя групы з Чжэцзянскага ўніверсітэта пад кіраўніцтвам прафесара Лю Лю і Гарвардскага ўніверсітэта пад кіраўніцтвам прафесара Лонкара таксама паведамілі аб высакахуткасных і высокастабільных мадулятарах LTOI.
Як блізкі сваяк тонкаплёнкавага ніабата літыя (LNOI), LTOI захоўвае характарыстыкі высокай хуткасці мадуляцыі і нізкіх страт ніабата літыя, а таксама прапануе такія перавагі, як нізкі кошт, нізкае падвойнае праламленне і паніжаныя фотарэфракцыйныя эфекты. Параўнанне асноўных характарыстык двух матэрыялаў прадстаўлена ніжэй.
◆ Падабенства паміж танталатам літыя (LTOI) і ніабатам літыя (LNOI)
①Паказчык праламлення:2,12 супраць 2,21
Гэта азначае, што памеры аднакадавага хвалявода, радыус выгібу і памеры распаўсюджаных пасіўных прылад, атрыманых з абодвух матэрыялаў, вельмі падобныя, а таксама параўнальныя характарыстыкі іх валаконна-аптычнай сувязі. Пры добрым травленні хвалявода абодва матэрыялы могуць дасягнуць уносных страт<0,1 дБ/см. Паводле дадзеных EPFL, страты ў хваляводзе складаюць 5,6 дБ/м.
②Электрааптычны каэфіцыент:30,5 вечара/В супраць 30,9 вечара/В
Эфектыўнасць мадуляцыі параўнальная для абодвух матэрыялаў, прычым мадуляцыя заснавана на эфекте Поккельса, што дазваляе дасягнуць высокай прапускной здольнасці. У цяперашні час мадулятары LTOI здольныя дасягнуць прадукцыйнасці 400 Гбіт/с на паласу з прапускной здольнасцю больш за 110 ГГц.
③Забароненая зона:3,93 эВ супраць 3,78 эВ
Абодва матэрыялы маюць шырокае празрыстае акно, што дазваляе выкарыстоўваць іх у дыяпазоне ад бачнага да інфрачырвонага выпраменьвання, без паглынання ў дыяпазонах сувязі.
④Нелінейны каэфіцыент другога парадку (d33):21 вечара/V супраць 27 вечара/V
Калі яны выкарыстоўваюцца для нелінейных задач, такіх як генерацыя другой гармонікі (SHG), генерацыя рознасных частот (DFG) або генерацыя сумарных частот (SFG), эфектыўнасць пераўтварэння гэтых двух матэрыялаў павінна быць вельмі падобнай.
◆ Коштавыя перавагі LTOI супраць LNOI
①Меншы кошт падрыхтоўкі вафель
LNOI патрабуе імплантацыі іонаў He для падзелу слаёў, што мае нізкую эфектыўнасць іанізацыі. У адрозненне ад гэтага, LTOI выкарыстоўвае імплантацыю іонаў H для падзелу, падобна SOI, з эфектыўнасцю расслойвання больш чым у 10 разоў вышэйшай, чым LNOI. Гэта прыводзіць да значнай розніцы ў цане 6-цалевых пласцін: 300 долараў супраць 2000 долараў, што азначае зніжэнне кошту на 85%.
②Ён ужо шырока выкарыстоўваецца на рынку бытавой электронікі для акустычных фільтраў.(750 000 адзінак штогод, выкарыстоўваюцца Samsung, Apple, Sony і г.д.).
◆ Перавагі прадукцыйнасці LTOI супраць LNOI
①Менш дэфектаў матэрыялу, слабейшы фотарэфракцыйны эфект, большая стабільнасць
Першапачаткова мадулятары LNOI часта дэманстравалі дрэйф кропкі зрушэння, галоўным чынам з-за назапашвання зарада, выкліканага дэфектамі на мяжы хвалявода. Калі не лячыць праблему, стабілізацыя гэтых прылад магла заняць да сутак. Аднак былі распрацаваны розныя метады вырашэння гэтай праблемы, такія як выкарыстанне аксіднай абалонкі металу, палярызацыя падкладкі і адпал, што зрабіла гэту праблему ў значнай ступені кіравальнай у цяперашні час.
У адрозненне ад гэтага, LTOI мае менш дэфектаў матэрыялу, што прыводзіць да значнага зніжэння з'яў дрэйфу. Нават без дадатковай апрацоўкі яго рабочая кропка застаецца адносна стабільнай. Падобныя вынікі былі атрыманы ў EPFL, Гарвардскім і Чжэцзянскім універсітэтах. Аднак у параўнанні часта выкарыстоўваюцца неапрацаваныя мадулятары LNOI, што можа быць не зусім справядлівым; пры апрацоўцы характарыстыкі абодвух матэрыялаў, верагодна, падобныя. Асноўнае адрозненне заключаецца ў тым, што LTOI патрабуе меншай колькасці дадатковых этапаў апрацоўкі.
②Ніжэйшае падвойнае праламленне: 0,004 супраць 0,07
Высокае падвойнае праламленне ніабата літыя (LNOI) часам можа быць праблематычным, асабліва таму, што выгібы хвалявода могуць выклікаць счапленне мод і гібрыдызацыю мод. У тонкім LNOI выгіб хвалявода можа часткова пераўтвараць святло TE ў святло TM, што ўскладняе выраб некаторых пасіўных прылад, такіх як фільтры.
Пры выкарыстанні LTOI ніжэйшае падвойнае праламленне ліквідуе гэтую праблему, што патэнцыйна спрашчае распрацоўку высокапрадукцыйных пасіўных прылад. EPFL таксама паведаміла пра значныя вынікі, выкарыстоўваючы нізкае падвойнае праламленне LTOI і адсутнасць перасячэння мод для дасягнення генерацыі электрааптычнага частотнага грабянца з ультрашырокім спектрам з плоскім кантролем дысперсіі ў шырокім спектральным дыяпазоне. Гэта прывяло да ўражлівай прапускной здольнасці грабянца 450 нм з больш чым 2000 лініямі грабянца, што ў некалькі разоў больш, чым тое, што можна дасягнуць з ніабатам літыя. У параўнанні з аптычнымі частотнымі грабянцамі Кера, электрааптычныя грабянцы маюць перавагу адсутнасці парога і большай стабільнасці, хоць яны патрабуюць магутнага мікрахвалевага ўваходу.
③Вышэйшы парог аптычнага пашкоджання
Парог аптычнага пашкоджання пры LTOI ўдвая вышэйшы, чым пры LNOI, што дае перавагу ў нелінейных прымяненнях (і, магчыма, у будучых прымяненнях кагерэнтнага ідэальнага паглынання (CPO)). Сучасныя ўзроўні магутнасці аптычных модуляў наўрад ці пашкодзяць ніабат літыя.
④Нізкі эфект Рамана
Гэта таксама датычыцца нелінейных прымяненняў. Ніябат літыя мае моцны эфект Рамана, які ў прымяненнях з аптычным частотным грабянцом Кера можа прывесці да непажаданай генерацыі раманаўскага выпраменьвання і канкурэнцыі за ўзмацненне, перашкаджаючы аптычным частотным грабянцам ніабата літыя з x-разрэзам дасягнуць салітоннага стану. З дапамогай LTOI эфект Рамана можна падавіць за кошт арыентацыі крышталя, што дазваляе LTOI з x-разрэзам дасягнуць генерацыі салітонных аптычных частотных грабянцоў. Гэта дазваляе маналітную інтэграцыю салітонных аптычных частотных грабянцоў з высакахуткаснымі мадулятарамі, што немагчыма з LNOI.
◆ Чаму раней не згадвалася тонкаплёнкавы тантал літыя (LTOI)?
Танталат літыя мае больш нізкую тэмпературу Кюры, чым ніабат літыя (610°C супраць 1157°C). Да распрацоўкі тэхналогіі гетэраінтэграцыі (XOI) мадулятары з ніабата літыя вырабляліся з выкарыстаннем дыфузіі тытана, якая патрабуе адпалу пры тэмпературы больш за 1000°C, што робіць LTOI непрыдатным. Аднак з сённяшнім пераходам да выкарыстання ізаляцыйных падложак і хваляводнага травлення для фарміравання мадулятара тэмпературы Кюры 610°C больш чым дастаткова.
◆ Ці заменіць тонкаплёнкавы танталат літыя (LTOI) тонкаплёнкавы ніабат літыя (TFLN)?
Зыходзячы з бягучых даследаванняў, LTOI прапануе перавагі ў пасіўнай прадукцыйнасці, стабільнасці і кошту вытворчасці ў вялікіх маштабах, без відавочных недахопаў. Аднак LTOI не пераўзыходзіць ніабат літыя па прадукцыйнасці мадуляцыі, і праблемы стабільнасці з LNOI маюць вядомыя рашэнні. Для модуляў сувязі DR мінімальны попыт на пасіўныя кампаненты (і пры неабходнасці можна выкарыстоўваць нітрыд крэмнію). Акрамя таго, патрабуюцца новыя інвестыцыі для аднаўлення працэсаў травлення на ўзроўні пласцін, метадаў гетэраінтэграцыі і выпрабаванняў надзейнасці (праблема з травленнем ніабатам літыя заключалася не ў хваляводзе, а ў дасягненні высокапрадукцыйнага травлення на ўзроўні пласцін). Такім чынам, каб канкураваць з усталяванай пазіцыяй ніабата літыя, LTOI, магчыма, спатрэбіцца выявіць дадатковыя перавагі. Аднак з акадэмічнага пункту гледжання LTOI прапануе значны даследчы патэнцыял для інтэграваных сістэм на крышталі, такіх як актаўна-аптычныя грабянцы, PPLT, салітоны і AWG-прылады з падзелам даўжынь хваль, а таксама масіўныя мадулятары.
Час публікацыі: 08 лістапада 2024 г.