薄膜钽酸锂LTOI：高速调制器的下一个明星材料？

年底偷个懒，今天看到EPFL & 上海微系统所合作的基于薄膜钽酸锂的超宽带电光频率梳在Nature正刊上发表了（

标题：Ultrabroadband integrated electro-optic frequency comb in lithium tantalate &链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08354-4），把之前写过的这篇再翻出来发一下，回顾一下这个具有更优异光电特性的潜在明星材料。跟薄膜铌酸锂晶圆一样，LTOI晶圆同样是国内（上海微系统所/新硅聚合 欧欣课题组）做得最好，后边可以关注下产业化的进度。

薄膜钽酸锂LTOI材料，正在成为集成光学圈不可忽视的一股新势力。今年有几个LTOI调制器的高水平工作，都是由上海微系统所欧欣老师提供了高质量的LTOI晶圆，瑞士EPFL的Kippenberg教授组提供了高质量的波导刻蚀工艺，双方合作共同展示的。除此之外，国内浙大刘柳教授团队、美国哈佛Loncar教授团队等也有高速、高稳定LTOI调制器相关的文章报道。

作为薄膜铌酸锂LNOI的近亲，LTOI除了保留铌酸锂的高速调制、低损耗性能之外，还提供了低成本、低双折射、低光折变效应等优势。两种材料的主要特性对比如下。

◆钽酸锂 vs 铌酸锂的相似之处

① 材料折射率：2.12 vs 2.21

意味着基于两种材料的单模波导尺寸、弯曲半径、常见无源器件尺寸等都差不多，光纤耦合性能也接近。波导损耗如果两者都刻蚀的好都可以实现＜0.1dB/cm的插损，EPFL报道的是5.6dB/m。

② 电光系数：30.5pm/V vs 30.9pm/V

调制效率接近，都是基于Pockels效应的调制，带宽可以很高。目前LTOI的调制器也能够实现400G/lane的性能，带宽＞110GHz。

③ 带隙：3.93eV vs 3.78 eV

宽透明窗口，都支持可见光到红外的应用，通信波段无吸收。

④ 二阶非线性系数d33：21pm/V vs 27pm/V

假如拿来产生二次谐波/差频/和频等非线性应用，两者的转换效率应该也是接近的。

◆钽酸锂LTOI vs 铌酸锂LNOI的成本优势

① 晶圆制备成本低

LNOI必须采用He离子注入进行剥离，电离效率低；LTOI采用H离子注入剥离，跟SOI相同，剥离效率/比LNOI高10倍以上。

由此带来的6寸晶圆价格差异：300美金 vs 2000美金，85％的降幅。

② 已经广泛应用于声学滤波器消费电子市场（每年75万pcs，三星、苹果、索尼等）

◆钽酸锂LTOI vs 铌酸锂LNOI的性能优势

① 材料缺陷少，光折变效应弱，更稳定。

LNOI调制器刚开始的时候都存在偏置点漂移的现象，这主要是波导界面处缺陷引起的电荷累积有关，如果器件不做处理，可能要等个一天才会稳定下来。不过后来大家也都想尽了办法来解决（金属氧化层包层、衬底极化、退火等），现在这个问题不大了。

相比之下，LTOI的材料缺陷少，漂移的现象也弱了很多，不做处理的情况下工作点已经比较稳定了。EPFL、哈佛、浙大都报道了类似的结果。但不太公平的是他们拿的是没做处理的LNOI调制器来对比，相信处理过的话两者性能差不多，区别在于LTOI少一点额外处理步骤。

② 材料双折射小：0.004 vs 0.07

铌酸锂的双折射大有时候也挺头疼的，波导弯曲的时候会有模式耦合、模式杂化等现象，比较薄的铌酸锂一拐弯TE光就部分变成TM光了，所以有些无源器件比如filter器件就不是很好做。

钽酸锂的双折射比较小，就没有这个问题了，估计就可以更容易的做一些高性能无源器件出来了。

另外EPFL也报道了一个很强的工作，（也就是今天上线的Nature论文）利用LTOI双折射低、无模式交叉的特性，利用色散调控，在很宽的光谱范围内色散都很平坦没有跳变，实现了超宽谱的谐振电光频率梳产生，能有450nm这么宽，2000多根梳齿，比铌酸锂上能实现的大了好几倍。相比Kerr光频梳，电光梳的好处在于无阈值，更稳定，但需要高功率的微波源输入。

③ 更高的光损伤阈值

LTOI的光损伤阈值比LNOI大了一倍，在非线性应用（或者是潜在的CPO应用？）里边有优势。现在光模块的功率应该还不会烧掉铌酸锂。

④ 低拉曼效应

同样是应用于非线性领域。铌酸锂的拉曼效应很强，所以在做Kerr 光频梳应用的时候，很容易产生拉曼光的产生和增益竞争，导致x切的铌酸锂光频梳无法进入光孤子态。LTOI材料可以通过晶向设计抑制拉曼效应，所以 x cut的LTOI也能实现孤子光频梳产生，可以实现LNOI搞不定的孤子光频梳＋高速调制器的单片集成。

◆薄膜钽酸锂LTOI以前怎么没人提？

钽酸锂材料的居里温度比铌酸锂低（610℃ vs 1157℃）。在薄膜异质集成XOI技术发展起来之前，大家用钛离子扩散的工艺做铌酸锂调制器，钛扩散工艺需要＞1000℃的退火，所以LTOI就用不了。

现在时代不同了，大家都可以转移到绝缘衬底上，通过刻蚀波导的方式形成调制器，这时候610℃的居里温度也就绰绰有余了。

◆薄膜钽酸锂LTOI会不会取代薄膜铌酸锂TFLN

从目前报道的这些工作来看，LTOI在无源性能、稳定性、大批量生产成本上有优势，似乎没有太明显的短板。但另一方面，钽酸锂在调制性能上也没有超出铌酸锂的特性，铌酸锂的稳定工作有解决方案，通信DR模块对无源器件也没啥需求（搞不定也可以上氮化硅)；再加上还需要新的投资重新摸一遍晶圆级刻蚀工艺、异质集成工艺，走一遍可靠性流程等（大家以前经常说的铌酸锂难刻蚀其实不是波导刻蚀的难，而是晶圆级高良率的刻蚀难）。所以面对铌酸锂的先发优势，钽酸锂可能还需要再挖掘出新的超越铌酸锂的优势才行？但在学术角度，Octave电光梳，PPLT、孤子与AWG波分器件、阵列调制器件的单片集成等等，实现更高集成度的片上系统，还是挺有研究空间和价值的。