LTOI(박막 리튬 탄탈산염) 소재는 통합 광학 분야에서 중요한 새로운 힘으로 떠오르고 있습니다. 올해에는 상하이 마이크로시스템 및 정보 기술 연구소의 Xin Ou 교수가 제공한 고품질 LTOI 웨이퍼와 EPFL의 Kippenberg 교수 그룹이 개발한 고품질 도파관 에칭 프로세스를 포함하여 LTOI 변조기에 대한 여러 가지 높은 수준의 연구가 출판되었습니다. , 스위스. 그들의 공동 노력은 인상적인 결과를 보여주었습니다. 또한 Liu Liu 교수가 이끄는 Zhejiang University의 연구팀과 Loncar 교수가 이끄는 Harvard University의 연구팀도 고속, 안정성이 높은 LTOI 변조기에 대해 보고했습니다.
LNOI(박막 리튬 니오베이트)와 가까운 계열인 LTOI는 니오브산 리튬의 고속 변조 및 저손실 특성을 유지하는 동시에 저비용, 낮은 복굴절 및 광굴절 효과 감소와 같은 장점도 제공합니다. 두 재료의 주요 특성을 비교하면 다음과 같습니다.
◆ 탄탈산리튬(LTOI)과 니오브산리튬(LNOI)의 유사점
①굴절률:2.12 대 2.21
이는 두 재료를 기반으로 하는 단일 모드 도파관 치수, 굽힘 반경 및 일반적인 수동 장치 크기가 매우 유사하며 광섬유 결합 성능도 비슷하다는 것을 의미합니다. 좋은 도파관 에칭을 사용하면 두 재료 모두 다음과 같은 삽입 손실을 달성할 수 있습니다.<0.1dB/cm. EPFL은 5.6dB/m의 도파관 손실을 보고합니다.
②전기 광학 계수:오후 30.5시/V vs 오후 30.9시/V
변조 효율은 두 재료 모두 비슷하며, 포켈스 효과에 기반한 변조로 높은 대역폭을 허용합니다. 현재 LTOI 변조기는 110GHz를 초과하는 대역폭으로 레인당 400G 성능을 달성할 수 있습니다.
③밴드갭:3.93eV 대 3.78eV
두 재료 모두 통신 대역을 흡수하지 않고 가시광선부터 적외선 파장까지의 응용 분야를 지원하는 넓은 투명 창을 가지고 있습니다.
④2차 비선형 계수(d33):오후 21시/V vs 오후 27시/V
SHG(2차 고조파 생성), DFG(차이 주파수 생성) 또는 SFG(합계 주파수 생성)와 같은 비선형 응용 분야에 사용되는 경우 두 재료의 변환 효율은 상당히 유사해야 합니다.
◆ LTOI vs LNOI의 비용 우위
①웨이퍼 준비 비용 절감
LNOI는 층 분리를 위해 He 이온 주입이 필요하므로 이온화 효율이 낮습니다. 이에 비해 LTOI는 SOI와 유사하게 분리를 위해 H 이온 주입을 사용하며 LNOI보다 박리 효율이 10배 이상 높습니다. 이로 인해 6인치 웨이퍼의 가격 차이가 300달러 대 2,000달러로 85% 절감됩니다.
②이미 가전제품 시장에서는 음향 필터용으로 널리 사용되고 있습니다.(연간 75만대, 삼성, 애플, 소니 등에서 사용)
◆ LTOI vs LNOI의 성능 장점
①재료 결함 감소, 광굴절 효과 감소, 안정성 향상
처음에 LNOI 변조기는 주로 도파관 인터페이스의 결함으로 인한 전하 축적으로 인해 바이어스 포인트 드리프트를 자주 나타냈습니다. 치료하지 않으면 이러한 장치가 안정화되는 데 최대 하루가 걸릴 수 있습니다. 그러나 이 문제를 해결하기 위해 금속 산화물 클래딩, 기판 분극, 어닐링 등 다양한 방법이 개발되어 현재 이 문제를 대부분 관리할 수 있게 되었습니다.
이에 비해 LTOI는 재료 결함이 적어 드리프트 현상이 크게 감소합니다. 추가 처리 없이도 작동 지점이 비교적 안정적으로 유지됩니다. EPFL, Harvard, Zhejiang University에서도 비슷한 결과가 보고되었습니다. 그러나 비교에서는 처리되지 않은 LNOI 변조기를 사용하는 경우가 많으며 이는 완전히 공정하지 않을 수 있습니다. 가공을 통해 두 재료의 성능은 비슷할 가능성이 높습니다. 주요 차이점은 추가 처리 단계가 더 적게 필요한 LTOI에 있습니다.
②낮은 복굴절: 0.004 대 0.07
LNOI(니오브산리튬)의 높은 복굴절은 때때로 어려울 수 있습니다. 특히 도파관 굴곡이 모드 결합 및 모드 혼성화를 유발할 수 있기 때문입니다. 얇은 LNOI에서는 도파관의 구부러짐으로 인해 TE 광이 TM 광으로 부분적으로 변환되어 필터와 같은 특정 수동 장치의 제작이 복잡해질 수 있습니다.
LTOI를 사용하면 복굴절이 낮아져 이 문제가 해결되므로 잠재적으로 고성능 수동 소자 개발이 더 쉬워집니다. EPFL은 또한 LTOI의 낮은 복굴절과 모드 교차 부재를 활용하여 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 균일한 분산 제어를 통해 초광역 스펙트럼 전기 광학 주파수 빗 생성을 달성하는 주목할만한 결과를 보고했습니다. 그 결과 2,000개가 넘는 빗살선이 있는 인상적인 450nm 빗살 대역폭이 생성되었으며, 이는 니오브산리튬으로 달성할 수 있는 것보다 몇 배 더 큽니다. Kerr 광 주파수 빗과 비교하여 전기 광학 빗은 고전력 마이크로파 입력이 필요하지만 임계값이 없고 더 안정적이라는 이점을 제공합니다.
③더 높은 광학 손상 임계값
LTOI의 광학 손상 임계값은 LNOI의 두 배이므로 비선형 애플리케이션(및 잠재적으로 미래의 CPO(Coherent Perfect Absorption) 애플리케이션)에 이점을 제공합니다. 현재 광 모듈 전력 수준은 니오브산 리튬을 손상시킬 가능성이 없습니다.
④낮은 라만 효과
이는 비선형 응용에도 적용됩니다. 니오브산 리튬은 강력한 라만 효과를 가지고 있는데, 이는 Kerr 광 주파수 빗 애플리케이션에서 원치 않는 라만 광 생성을 유도하고 경쟁을 얻어 x-cut 니오브산 리튬 광 주파수 빗이 솔리톤 상태에 도달하는 것을 방지할 수 있습니다. LTOI를 사용하면 결정 방향 설계를 통해 라만 효과를 억제할 수 있으므로 x-cut LTOI가 솔리톤 광 주파수 빗 생성을 달성할 수 있습니다. 이를 통해 LNOI로는 달성할 수 없는 고속 변조기와 솔리톤 광 주파수 빗의 모놀리식 통합이 가능해졌습니다.
◆ 앞서 LTOI(박막탄탈산리튬)가 언급되지 않은 이유는 무엇입니까?
탄탈산리튬은 니오브산리튬보다 퀴리 온도가 낮습니다(610°C 대 1157°C). 이종집적화 기술(XOI)이 개발되기 전에는 티타늄 확산을 이용해 니오브산리튬 변조기를 제조했는데, 이를 위해서는 1000°C 이상에서 어닐링이 필요해 LTOI가 적합하지 않았습니다. 그러나 오늘날 변조기 형성을 위해 절연체 기판과 도파관 에칭을 사용하는 방향으로 전환함에 따라 610°C 퀴리 온도이면 충분합니다.
◆ LTOI(박막 탄탈산리튬)가 TFLN(박막 니오브산리튬)을 대체할 것인가?
현재 연구에 따르면 LTOI는 뚜렷한 단점 없이 패시브 성능, 안정성 및 대규모 생산 비용 측면에서 이점을 제공합니다. 그러나 LTOI는 변조 성능에서 니오브산리튬을 능가하지 못하며 LNOI의 안정성 문제에 대한 해결책이 알려져 있습니다. 통신 DR 모듈의 경우 수동 부품에 대한 수요가 최소화됩니다(필요한 경우 질화규소를 사용할 수 있음). 또한, 웨이퍼 레벨 에칭 공정, 이종통합 기술 및 신뢰성 테스트를 재구축하려면 새로운 투자가 필요합니다(니오브산리튬 에칭의 어려움은 도파관이 아니라 고수율 웨이퍼 레벨 에칭을 달성하는 것이었습니다). 따라서 니오브산리튬의 확고한 입지와 경쟁하기 위해 LTOI는 추가적인 이점을 발굴해야 할 수도 있습니다. 그러나 학문적으로 LTOI는 옥타브에 걸친 전기 광학 빗, PPLT, 솔리톤 및 AWG 파장 분할 장치, 어레이 변조기와 같은 통합 온칩 시스템에 대한 상당한 연구 잠재력을 제공합니다.
게시 시간: 2024년 11월 8일