박막 리튬 탄탈레이트(LTOI) 소재가 집적 광학 분야의 새로운 강자로 떠오르고 있습니다. 올해는 상하이 마이크로시스템정보기술연구소의 신 오우 교수가 제공한 고품질 LTOI 웨이퍼와 스위스 EPFL의 키펜버그 교수 연구팀이 개발한 고품질 도파관 식각 공정을 활용하여 LTOI 변조기에 관한 여러 고수준 연구 논문이 발표되었습니다. 이들의 협력 연구는 인상적인 결과를 보여주었습니다. 또한, 저장대학교의 류류 교수가 이끄는 연구팀과 하버드대학교의 론카 교수가 이끄는 연구팀 또한 고속 고안정성 LTOI 변조기에 대한 연구를 발표했습니다.
박막 리튬 니오베이트(LNOI)의 가까운 친척인 LTOI는 리튬 니오베이트의 고속 변조 및 저손실 특성을 유지하면서도 저렴한 비용, 낮은 복굴절률, 그리고 광굴절 효과 감소와 같은 장점을 제공합니다. 두 재료의 주요 특성을 아래에 비교했습니다.
◆ 리튬탄탈레이트(LTOI)와 리튬니오베이트(LNOI)의 유사점
①굴절률:2.12 대 2.21
이는 두 소재를 기반으로 한 단일 모드 도파관 치수, 굽힘 반경, 그리고 일반적인 수동 소자 크기가 매우 유사하며, 광섬유 결합 성능 또한 유사함을 의미합니다. 도파관 에칭이 양호하면 두 소재 모두 삽입 손실을 달성할 수 있습니다.<0.1 dB/cm. EPFL은 도파관 손실을 5.6 dB/m로 보고합니다.
②전기광학 계수:30.5pm/V 대 30.9pm/V
두 재료 모두 변조 효율이 비슷하며, 포켈스 효과에 기반한 변조를 통해 높은 대역폭을 구현할 수 있습니다. 현재 LTOI 변조기는 레인당 400G의 성능을 구현할 수 있으며, 대역폭은 110GHz를 초과합니다.
③밴드갭:3.93eV 대 3.78eV
두 소재 모두 넓은 투명 창을 갖고 있어 가시광선에서 적외선 파장까지의 응용 분야에 적용 가능하며, 통신 대역에서는 흡수가 없습니다.
④2차 비선형 계수(d33):21pm/V 대 27pm/V
2차 고조파 생성(SHG), 차주파수 생성(DFG), 합주파수 생성(SFG)과 같은 비선형 응용 분야에 사용되는 경우 두 소재의 변환 효율은 매우 유사해야 합니다.
◆ LTOI 대비 LNOI의 비용적 이점
①웨이퍼 준비 비용 절감
LNOI는 층 분리를 위해 헬륨 이온 주입을 필요로 하는데, 이는 이온화 효율이 낮습니다. 반면, LTOI는 SOI와 유사하게 수소 이온 주입을 사용하여 분리하며, 박리 효율이 LNOI보다 10배 이상 높습니다. 이로 인해 6인치 웨이퍼의 가격 차이가 상당합니다. LNOI는 300달러, LTOI는 2,000달러로 85%의 비용 절감 효과를 가져옵니다.
②이미 가전제품 시장에서 음향 필터로 널리 사용되고 있습니다.(연간 75만대 판매, 삼성, 애플, 소니 등에서 사용).
◆ LTOI와 LNOI의 성능 이점
①재료 결함 감소, 광굴절 효과 약화, 안정성 향상
초기에 LNOI 변조기는 주로 도파관 계면의 결함으로 인한 전하 축적으로 인해 바이어스 포인트 드리프트가 발생하는 경우가 많았습니다. 이러한 소자는 처리하지 않으면 안정화되는 데 최대 하루가 걸릴 수 있었습니다. 그러나 금속 산화물 클래딩, 기판 분극, 어닐링 등 이 문제를 해결하기 위한 다양한 방법이 개발되어 현재는 이 문제를 대체로 해결할 수 있게 되었습니다.
반면, LTOI는 재료 결함이 적어 드리프트 현상이 현저히 감소합니다. 추가 공정 없이도 작동점은 비교적 안정적으로 유지됩니다. EPFL, 하버드, 저장대학교에서도 유사한 결과가 보고되었습니다. 그러나 비교에는 종종 미처리 LNOI 변조기를 사용하는데, 이는 완전히 공정하지 않을 수 있습니다. 공정을 거치면 두 재료의 성능은 비슷할 가능성이 높습니다. 주요 차이점은 LTOI가 추가 공정 단계를 덜 필요로 한다는 것입니다.
②낮은 복굴절률: 0.004 대 0.07
리튬 니오베이트(LNOI)의 높은 복굴절은 때때로 까다로운 문제가 될 수 있는데, 특히 도파관의 굽힘으로 인해 모드 결합 및 모드 혼성화가 발생할 수 있기 때문입니다. 얇은 LNOI의 경우, 도파관의 굽힘은 열전대(TE) 광을 열전대(TM) 광으로 부분적으로 변환하여 필터와 같은 특정 수동 소자의 제작을 복잡하게 만들 수 있습니다.
LTOI는 낮은 복굴절률로 이러한 문제를 해결하여 고성능 수동 소자 개발을 더욱 용이하게 할 수 있습니다. EPFL 또한 LTOI의 낮은 복굴절률과 모드 교차가 없는 특성을 활용하여 넓은 스펙트럼 범위에서 평탄한 분산 제어를 제공하는 초광대역 전기광학 주파수 빗 생성을 달성하여 주목할 만한 결과를 보고했습니다. 이를 통해 2,000개 이상의 빗살 라인을 갖는 450nm의 인상적인 빗살 대역폭을 달성했는데, 이는 리튬 니오베이트로 얻을 수 있는 것보다 몇 배 더 큰 수치입니다. Kerr 광 주파수 빗과 비교했을 때, 전기광학 빗은 임계값이 없고 더 안정적이라는 장점을 제공하지만, 고출력 마이크로파 입력이 필요합니다.
③더 높은 광학적 손상 임계값
LTOI의 광학적 손상 임계값은 LNOI의 두 배로, 비선형 응용 분야(그리고 잠재적으로 미래의 CPO(Coherent Perfect Absorption) 응용 분야)에서 이점을 제공합니다. 현재 광학 모듈 전력 수준에서는 리튬 니오베이트가 손상될 가능성이 낮습니다.
④낮은 라만 효과
이는 비선형 응용 분야에도 적용됩니다. 리튬 니오베이트는 강력한 라만 효과를 가지는데, 이는 Kerr 광 주파수 빗 응용 분야에서 원치 않는 라만 광 생성 및 이득 경쟁을 유발하여 x-컷 리튬 니오베이트 광 주파수 빗이 솔리톤 상태에 도달하지 못하게 할 수 있습니다. LTOI를 사용하면 결정 배향 설계를 통해 라만 효과를 억제할 수 있으므로 x-컷 LTOI에서 솔리톤 광 주파수 빗 생성을 달성할 수 있습니다. 이를 통해 솔리톤 광 주파수 빗과 고속 변조기의 일체형 집적을 가능하게 하는데, 이는 LNOI에서는 달성할 수 없는 성과입니다.
◆ 박막 리튬 탄탈레이트(LTOI)가 왜 앞서 언급되지 않았는가?
탄탈리튬은 니오브산리튬보다 퀴리 온도가 낮습니다(610°C 대 1157°C). 이종적분 기술(XOI)이 개발되기 전에는 니오브산리튬 변조기가 티타늄 확산법을 사용하여 제조되었는데, 이 방법은 1000°C 이상의 어닐링 공정을 필요로 하므로 LTOI는 적합하지 않았습니다. 그러나 오늘날 변조기 형성에 절연체 기판과 도파관 식각을 사용하는 방향으로 전환됨에 따라 610°C 퀴리 온도만으로도 충분합니다.
◆ 박막 리튬 탄탈레이트(LTOI)가 박막 리튬 니오베이트(TFLN)를 대체할까요?
현재 연구에 따르면, LTOI는 수동 성능, 안정성, 그리고 대량 생산 비용 측면에서 장점을 제공하며, 뚜렷한 단점은 없습니다. 그러나 LTOI는 변조 성능 면에서 리튬 니오베이트를 능가하지 못하며, LNOI의 안정성 문제는 이미 알려진 해결책이 있습니다. 통신 DR 모듈의 경우, 수동 부품에 대한 수요는 미미하며, 필요한 경우 실리콘 질화물을 사용할 수 있습니다. 또한, 웨이퍼 레벨 에칭 공정, 이종 집적 기술, 그리고 신뢰성 시험을 재구축하기 위한 새로운 투자가 필요합니다. (리튬 니오베이트 에칭의 어려움은 도파관 문제가 아니라 고수율 웨이퍼 레벨 에칭을 달성하는 것이었습니다.) 따라서 리튬 니오베이트의 기존 입지와 경쟁하기 위해서는 LTOI가 추가적인 장점을 발굴해야 할 수도 있습니다. 그러나 학문적으로 LTOI는 옥타브 스패닝 전기 광학 빗살, PPLT, 솔리톤 및 AWG 파장 분할 소자, 그리고 어레이 변조기와 같은 집적 온칩 시스템에 대한 상당한 연구 잠재력을 제공합니다.
게시 시간: 2024년 11월 8일