박막 리튬 탄탈레이트(LTOI) 소재는 집적 광학 분야에서 중요한 새로운 동력으로 떠오르고 있습니다. 올해 상하이 마이크로시스템 및 정보 기술 연구소의 신 오우(Xin Ou) 교수가 제공한 고품질 LTOI 웨이퍼와 스위스 EPFL의 키펜베르크(Kippenberg) 교수 연구팀이 개발한 고품질 도파관 식각 공정을 활용한 LTOI 변조기에 대한 여러 수준 높은 연구 결과가 발표되었습니다. 이들의 공동 연구는 인상적인 성과를 보여주었습니다. 또한, 저장대학교의 류 류(Liu Liu) 교수 연구팀과 하버드대학교의 론카르(Loncar) 교수 연구팀도 고속, 고안정성 LTOI 변조기에 대한 연구 결과를 발표했습니다.
박막 리튬 니오베이트(LNOI)의 가까운 유사 물질인 LTOI는 리튬 니오베이트의 고속 변조 및 저손실 특성을 유지하면서 저렴한 비용, 낮은 복굴절률, 광굴절 효과 감소와 같은 장점을 제공합니다. 두 물질의 주요 특성 비교는 아래에 제시되어 있습니다.
◆ 리튬 탄탈레이트(LTOI)와 리튬 니오베이트(LNOI)의 유사점
①굴절률:2.12 대 2.21
이는 두 재료를 기반으로 한 단일 모드 도파관의 크기, 굽힘 반경 및 일반적인 수동 소자 크기가 매우 유사하고 광섬유 결합 성능 또한 비슷하다는 것을 의미합니다. 도파관 에칭을 잘 수행하면 두 재료 모두 삽입 손실이 낮은 값을 달성할 수 있습니다.<0.1 dB/cm. EPFL은 도파관 손실이 5.6 dB/m라고 보고했습니다.
②전기광학 계수:30.5 pm/V 대 30.9 pm/V
두 재료 모두 변조 효율은 유사하며, 포켈스 효과에 기반한 변조 방식을 통해 높은 대역폭을 구현할 수 있습니다. 현재 LTOI 변조기는 레인당 400G의 성능과 110GHz 이상의 대역폭을 달성할 수 있습니다.
③밴드갭:3.93 eV 대 3.78 eV
두 소재 모두 넓은 투명 영역을 가지고 있어 가시광선에서 적외선 파장에 이르는 응용 분야에 적합하며, 통신 대역에서는 흡수가 없습니다.
④2차 비선형 계수(d33):오후 21시/V vs 오후 27시/V
2차 고조파 발생(SHG), 차이 주파수 발생(DFG) 또는 합 주파수 발생(SFG)과 같은 비선형 응용 분야에 사용될 경우, 두 재료의 변환 효율은 상당히 유사해야 합니다.
◆ LTOI와 LNOI의 비용 우위
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 층 분리를 수행하며, 박리 효율이 LNOI보다 10배 이상 높습니다. 이러한 차이로 인해 6인치 웨이퍼 가격이 크게 낮아집니다. LNOI는 300달러, LTOI는 2,000달러로 85%의 비용 절감 효과를 가져옵니다.
②이 기술은 이미 소비자 가전 시장에서 음향 필터로 널리 사용되고 있습니다.(연간 75만 대 생산, 삼성, 애플, 소니 등에서 사용)
◆ LTOI와 LNOI의 성능 비교 우위
①재료 결함 감소, 광굴절 효과 약화, 안정성 향상
초기에 LNOI 변조기는 도파관 계면의 결함으로 인한 전하 축적 때문에 바이어스 포인트 드리프트 현상을 자주 나타냈습니다. 이러한 소자는 처리하지 않으면 안정화되는 데 최대 하루가 걸릴 수 있었습니다. 그러나 금속 산화물 클래딩, 기판 분극, 어닐링과 같은 다양한 방법이 개발되어 현재는 이 문제를 상당 부분 해결할 수 있게 되었습니다.
반면, LTOI는 재료 결함이 적어 드리프트 현상이 현저히 감소합니다. 추가적인 공정 없이도 동작점이 비교적 안정적으로 유지됩니다. EPFL, 하버드 대학교, 저장 대학교에서도 유사한 결과가 보고되었습니다. 그러나 이러한 비교에서는 종종 처리되지 않은 LNOI 변조기를 사용하는데, 이는 완전히 공정한 비교라고 할 수는 없습니다. 공정을 거치면 두 재료의 성능은 유사해질 가능성이 높습니다. 주요 차이점은 LTOI가 더 적은 추가 공정 단계를 필요로 한다는 점입니다.
②더 낮은 복굴절률: 0.004 대 0.07
리튬 니오베이트(LNOI)의 높은 복굴절률은 특히 도파관의 굴곡으로 인해 모드 결합 및 모드 혼성화가 발생할 때 어려움을 초래할 수 있습니다. 얇은 LNOI의 경우, 도파관의 굴곡으로 인해 TE 광이 부분적으로 TM 광으로 변환될 수 있어 필터와 같은 특정 수동 소자의 제작이 복잡해집니다.
LTOI는 낮은 복굴절률 덕분에 이러한 문제를 해결하여 고성능 수동 소자 개발을 용이하게 합니다. EPFL은 또한 LTOI의 낮은 복굴절률과 모드 교차 현상이 없다는 점을 활용하여 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 평탄한 분산 제어를 갖는 초광대역 전기광학 주파수 콤 생성에 성공한 주목할 만한 결과를 발표했습니다. 그 결과 450nm의 넓은 콤 대역폭과 2000개 이상의 콤 라인을 구현했는데, 이는 리튬 니오베이트를 사용할 때보다 몇 배나 더 큰 규모입니다. 커 광학 주파수 콤과 비교했을 때, 전기광학 콤은 문턱값이 없고 더 안정적이라는 장점이 있지만, 고출력 마이크로파 입력이 필요합니다.
③더 높은 광학적 손상 임계값
LTOI의 광학적 손상 임계값은 LNOI의 두 배이므로 비선형 응용 분야(및 잠재적으로 미래의 결맞음 완벽 흡수(CPO) 응용 분야)에서 이점을 제공합니다. 현재 광 모듈의 전력 수준으로는 리튬 니오베이트가 손상될 가능성이 낮습니다.
④낮은 라만 효과
이는 비선형 응용 분야에도 적용됩니다. 리튬 니오베이트는 강한 라만 효과를 나타내는데, 커 광학 주파수 콤 응용 분야에서는 원치 않는 라만 광 발생 및 이득 경쟁을 유발하여 x-컷 리튬 니오베이트 광학 주파수 콤이 솔리톤 상태에 도달하는 것을 방해할 수 있습니다. LTOI(리튬-티오네인 산화물)를 사용하면 결정 방향 설계를 통해 라만 효과를 억제할 수 있으므로 x-컷 LTOI를 사용하여 솔리톤 광학 주파수 콤을 생성할 수 있습니다. 이를 통해 솔리톤 광학 주파수 콤을 고속 변조기와 단일 칩으로 통합할 수 있으며, 이는 LNOI(리튬-니오베이트 산화물)로는 불가능한 성과입니다.
◆ 박막 리튬 탄탈레이트(LTOI)는 왜 앞서 언급되지 않았을까요?
리튬 탄탈레이트는 리튬 니오베이트보다 퀴리 온도가 낮습니다(610°C 대 1157°C). 이종 집적 기술(XOI)이 개발되기 전에는 티타늄 확산법을 사용하여 리튬 니오베이트 변조기를 제조했는데, 이 방법은 1000°C 이상의 고온에서 어닐링이 필요했기 때문에 LTOI는 적합하지 않았습니다. 그러나 오늘날 변조기 형성에 절연 기판과 도파관 에칭을 사용하는 추세로 인해 610°C의 퀴리 온도로도 충분합니다.
◆ 박막 리튬 탄탈레이트(LTOI)가 박막 리튬 니오베이트(TFLN)를 대체할 것인가?
현재까지의 연구에 따르면, LTOI는 수동 소자 성능, 안정성, 대규모 생산 비용 측면에서 이점을 제공하며, 뚜렷한 단점은 발견되지 않았습니다. 그러나 LTOI는 변조 성능 면에서 리튬 니오베이트를 능가하지 못하며, LNOI의 안정성 문제는 이미 해결책이 알려져 있습니다. 통신 DR 모듈의 경우 수동 소자에 대한 수요가 최소화되어 있으며, 필요한 경우 질화규소를 사용할 수 있습니다. 또한 웨이퍼 레벨 에칭 공정, 이종 집적 기술, 신뢰성 테스트를 재정립하기 위한 새로운 투자가 필요합니다(리튬 니오베이트 에칭의 어려움은 도파관 자체가 아니라 고수율 웨이퍼 레벨 에칭을 달성하는 데 있었습니다). 따라서 리튬 니오베이트의 확고한 입지를 견제하기 위해서는 LTOI가 추가적인 장점을 발굴해야 할 필요가 있습니다. 하지만 학술적으로 볼 때, LTOI는 옥타브 대역폭의 전기광학 콤, PPLT, 솔리톤 및 AWG 파장 분할 장치, 어레이 변조기 등과 같은 온칩 통합 시스템에 대한 상당한 연구 잠재력을 제공합니다.
게시 시간: 2024년 11월 8일