薄膜タンタル酸リチウム (LTOI) 材料は、集積光学分野における重要な新勢力として台頭しています。今年は、LTOI変調器に関するハイレベルな研究がいくつか出版されており、高品質のLTOIウェーハは上海マイクロシステム情報技術研究所のXin Ou教授から提供され、高品質の導波路エッチングプロセスはEPFLのキッペンバーグ教授のグループによって開発された。 、スイス。彼らの協力的な取り組みは素晴らしい結果をもたらしました。さらに、Liu Liu教授が率いる浙江大学とLoncar教授が率いるハーバード大学の研究チームも、高速かつ高安定なLTOI変調器について報告しています。
薄膜ニオブ酸リチウム (LNOI) に近いものとして、LTOI はニオブ酸リチウムの高速変調特性と低損失特性を維持しながら、低コスト、低複屈折、フォトリフラクティブ効果の低減などの利点も備えています。 2 つの材料の主な特性の比較を以下に示します。
◆ タンタル酸リチウム（LTOI）とニオブ酸リチウム（LNOI）の類似点
①屈折率:2.12 対 2.21
これは、両方の材料に基づくシングルモード導波路の寸法、曲げ半径、および一般的な受動デバイスのサイズが非常に類似しており、ファイバ結合性能も同等であることを意味します。良好な導波路エッチングにより、どちらの材料も<0.1 dB/cm。 EPFL は 5.6 dB/m の導波路損失を報告しています。
②電気光学係数:午後30.5時/V vs 午後30.9時/V
変調効率は両方の材料で同等であり、ポッケルス効果に基づく変調により、高帯域幅が可能になります。現在、LTOI 変調器は 110 GHz を超える帯域幅で、レーンあたり 400G のパフォーマンスを達成できます。
③バンドギャップ:3.93 eV 対 3.78 eV
どちらの材料も広い透明窓を備えており、通信帯域での吸収がなく、可視から赤外の波長までのアプリケーションをサポートします。
④2 次の非線形係数 (d33):午後21時/V vs 午後27時/V
第 2 高調波発生 (SHG)、差周波発生 (DFG)、和周波発生 (SFG) などの非線形アプリケーションに使用する場合、2 つの材料の変換効率はほぼ同等になるはずです。
◆ LTOIとLNOIのコストメリット
①ウェーハ準備コストの削減
LNOIでは層分離のためにHeイオン注入が必要ですが、イオン化効率が低くなります。対照的に、LTOI は SOI と同様に分離に H イオン注入を使用し、LNOI よりも 10 倍以上高い剥離効率を実現します。これにより、6 インチ ウェーハの価格に大きな差が生じ、300 ドルと 2000 ドルとなり、85% のコスト削減になります。
②家電市場の音響フィルターとしてすでに広く使用されています。(年間75万台、サムスン、アップル、ソニーなどで使用)。
◆ LTOI と LNOI のパフォーマンス上の利点
①材料の欠陥が少なく、フォトリフラクティブ効果が弱く、安定性が高い
当初、LNOI 変調器は、主に導波路界面の欠陥によって引き起こされる電荷の蓄積により、バイアス ポイントのドリフトを示すことがよくありました。治療しない場合、これらのデバイスが安定するまでに最大 1 日かかる可能性があります。しかし、この問題に対処するために、金属酸化物クラッドの使用、基板の分極、アニーリングなどのさまざまな方法が開発され、現在ではこの問題はほとんど対処できるようになりました。
対照的に、LTOI には材料欠陥が少ないため、ドリフト現象が大幅に減少します。追加の処理を行わなくても、その動作点は比較的安定したままです。同様の結果が EPFL、ハーバード大学、浙江大学でも報告されています。ただし、比較では未処理の LNOI 変調器が使用されることが多く、完全に公平ではない可能性があります。加工を施した場合、両方の素材の性能はほぼ同様になる可能性があります。主な違いは、LTOI に必要な追加の処理ステップが少なくなることです。
②より低い複屈折: 0.004 vs 0.07
ニオブ酸リチウム (LNOI) の高い複屈折は、特に導波路の曲がりによってモード結合やモード混成が生じる可能性があるため、場合によっては困難になることがあります。薄い LNOI では、導波路の曲がりによって TE 光が TM 光に部分的に変換される可能性があり、フィルターなどの特定の受動デバイスの製造が複雑になります。
LTOI では、複屈折が低いためこの問題が解消され、高性能の受動デバイスの開発が容易になる可能性があります。 EPFL はまた、LTOI の低い複屈折とモード交差の不在を利用して、広いスペクトル範囲にわたってフラットな分散制御を備えた超広スペクトル電気光学周波数コムの生成を達成するという注目すべき結果を報告しています。これにより、2000 以上のコムラインを備えた 450 nm という驚異的なコム帯域幅が得られ、ニオブ酸リチウムで達成できるものよりも数倍大きくなりました。カー光周波数コムと比較して、電気光コムには、高出力のマイクロ波入力が必要ですが、しきい値がなく、より安定しているという利点があります。
③より高い光学的損傷閾値
LTOI の光損傷閾値は LNOI の 2 倍であり、非線形アプリケーション (および将来のコヒーレント完全吸収 (CPO) アプリケーション) に利点をもたらします。現在の光モジュールの出力レベルでは、ニオブ酸リチウムが損傷する可能性は低いです。
④低ラマン効果
これは非線形アプリケーションにも当てはまります。ニオブ酸リチウムには強力なラマン効果があり、カー光周波数コムのアプリケーションでは、不要なラマン光の生成と利得の競合を引き起こし、x カット ニオブ酸リチウム光周波数コムがソリトン状態に到達するのを妨げる可能性があります。 LTOIでは結晶方位設計によりラマン効果を抑制できるため、xカットLTOIでソリトン光周波数コムの生成を実現できます。これにより、ソリトン光周波数コムと高速変調器とのモノリシック統合が可能になります。これは、LNOI では達成できない偉業です。
◆ 薄膜タンタル酸リチウム (LTOI) についてなぜこれまで言及されなかったのですか?
タンタル酸リチウムのキュリー温度はニオブ酸リチウムよりも低くなります (610°C 対 1157°C)。ヘテロインテグレーション技術 (XOI) が開発される前は、ニオブ酸リチウム変調器はチタン拡散を使用して製造されていましたが、これには 1000°C 以上でのアニーリングが必要であり、LTOI は不適切でした。しかし、今日では変調器の形成に絶縁体基板と導波路エッチングを使用する方向に移行しているため、610℃のキュリー温度で十分です。
◆ 薄膜タンタル酸リチウム (LTOI) は薄膜ニオブ酸リチウム (TFLN) に取って代わるのでしょうか?
現在の研究に基づくと、LTOI にはパッシブ性能、安定性、大規模生産コストの点で利点があり、明らかな欠点はありません。ただし、LTOI は変調性能においてニオブ酸リチウムを超えることはなく、LNOI の安定性の問題には既知の解決策があります。通信 DR モジュールの場合、受動コンポーネントの需要は最小限です (必要に応じて窒化シリコンも使用できます)。さらに、ウェハレベルのエッチングプロセス、ヘテロ集積技術、および信頼性テストを再確立するには、新たな投資が必要です（ニオブ酸リチウムのエッチングの難しさは導波路ではなく、高収率のウェハレベルエッチングを達成することでした）。したがって、ニオブ酸リチウムの確立された地位に対抗するには、LTOI はさらなる利点を明らかにする必要があるかもしれません。しかし、学術的には、LTOI は、オクターブにまたがる電気光学コム、PPLT、ソリトンおよび AWG 波長分割デバイス、アレイ変調器などの統合オンチップ システムに重要な研究の可能性をもたらします。
投稿日時: 2024 年 11 月 8 日