[논문 리뷰] Lithium tantalate electro-optical photonic integrated circuits for high volume manufacturing

Chengli Wang, Zihan Li외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 28.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 5G/6G 초음파 필터에 이미 고도로 생산 중인 산업 기반 인프라를 활용하여 리튬 tantalate (LiTaO₃)를 사용해 고성능 전기광학 광집적 회로(PICs)의 확장 가능하고 저비용 제조 플랫폼을 구현함을 보여준다. 저자들은 파손 손실을 5.6 dB/m으로 낮추고, VπL 제품을 4.2 V·cm로 달성하였으며, O 대역에서 L 대역에 이르는 광역 대역에서의 작동을 실현하였고, X-절단 LiTaO₃에서 30.1 GHz 반복 주파수로 솔리톤 마이크로콤을 생성하여 고속 통신 및 양자 광학 분야의 응용 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

Photonic integrated circuits based on Lithium Niobate have demonstrated the vast capabilities afforded by material with a high Pockels coefficient, allowing linear and high-speed modulators operating at CMOS voltage levels for applications ranging from data-center communications and photonic accelerators for AI. However despite major progress, the industrial adoption of this technology is compounded by the high cost per wafer. Here we overcome this challenge and demonstrate a photonic platform that satisfies the dichotomy of allowing scalable manufacturing at low cost, while at the same time exhibiting equal, and superior properties to those of Lithium Niobate. We demonstrate that it is possible to manufacture low loss photonic integrated circuits using Lithium Tantalate, a material that is already commercially adopted for acoustic filters in 5G and 6G. We show that LiTaO3 posses equally attractive optical properties and can be etched with high precision and negligible residues using DUV lithography, diamond like carbon (DLC) as a hard mask and alkaline wet etching. Using this approach we demonstrate microresonators with an intrinsic cavity linewidth of 26.8 MHz, corresponding to a linear loss of 5.6 dB/m and demonstrate a Mach Zehnder modulator with Vpi L = 4.2 V cm half-wave voltage length product. In comparison to Lithium Niobate, the photonic integrated circuits based on LiTaO3 exhibit a much lower birefringence, allowing high-density circuits and broadband operation over all telecommunication bands (O to L band), exhibit higher photorefractive damage threshold, and lower microwave loss tangent. Moreover, we show that the platform supports generation of soliton microcombs in X-Cut LiTaO3 racetrack microresonator with electronically detectable repetition rate, i.e. 30.1 GHz.

연구 동기 및 목표

• 5G/6G 필터 제조에 이미 고량 생산 중인 리튬 탄탈레이트(LiTaO₃)를 채택하여 리튬 niobate(LiNbO₃) 기반 광집적 회로(PICs)의 높은 비용과 제한된 웨이퍼 크기 문제를 해결한다.
• 기존 산업 기반 인프라와 웨이퍼 수준 공정을 활용해 고성능 전기광학 PICs의 확장 가능하고 저비용 제조를 가능하게 한다.
• LiNbO₃에 비해 LiTaO₃ 기반 PICs에서 저손실, 저 이방성, 높은 광기계 손상 임계값, 저 마이크로파 손실 계수를 달성한다.
• O 대역에서 L 대역까지의 통신 대역(1260–1620 nm)에서 광역 대역 작동을 실현하며, 이방성이 감소함에 따라 모드 혼합이 억제된다.
• X-절단 LiTaO₃에서 솔리톤 마이크로콤 생성을 실현하며, 이는 마이크로파 광학 및 양자 기술 분야의 응용을 지원한다.

제안 방법

• 150 mm 및 200 mm 웨이퍼 플랫폼을 사용해 스마트 컷 공정을 통해 리튬 탄탈레이트 온 인슐레이터(LTOI) 웨이퍼를 제조한다.
• 고정밀 패터닝을 위해 다이아몬드 유사 탄소(DLC)를 하드 마스크로 사용하는 심층 자외선(DUV) 리지오그래피를 적용한다.
• 잔류물이 없는 측면 벽을 확보하고 파손 손실을 최소화하기 위해 알칼리성 습식 에칭을 구현한다.
• 여러 파동 모듈레이터를 위한 두꺼운 고품질 금속 전극을 제작하여 저 VπL 제품 작동을 가능하게 한다.
• 기판 결합, 패터닝, 에칭, 전극 증착을 통합한 완전한 웨이퍼 수준 공정 프로세스를 구현한다.
• 전기 스펙트럼 분석기 및 마이크로콤에서 유도된 마이크로파 비트 노트의 광검출을 통해 광학 및 마이크로파 성능을 특성화한다.

Figure 1: Lithium-tantalate-on-insulator (LTOI) substrates and optical waveguides. (a) Crystallographic unit cell of $\mathrm{LiTaO}_{3}$ . (b) Colorized SEM of LTOI ring resonator. (c) Colorized scanning electron micrograph (SEM) of etched LTOI (blue) waveguide and sidewall. (d) Colorized SEM cross

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 고량 생산 인프라를 활용해 리튬 탄탈레이트(LiTaO₃)를 사용해 저손실, 고성능 전기광학 광집적 회로(PICs)를 제조할 수 있는가?
• RQ2 LiTaO₃는 확장 가능한 PIC 응용 분야에서 LiNbO₃와 비교해 유사하거나 우수한 전기광학적 및 광학적 성질을 가지는가?
• RQ3 X-절단 LiTaO₃에서 솔리톤 마이크로콤 생성이 가능할 수 있으며, 그로 인한 마이크로파 비트 노트의 위상 잡음 성능은 어떠한가?
• RQ4 LiTaO₃의 저이방성은 O 대역에서 L 대역까지의 광역 대역에서 단일 모드 작동을 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ5 LiTaO₃의 저유전 손실 계수는 초전도 양자 프로세서를 위한 고정밀 양자 변환을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 DUV 리지오그래피와 DLC 하드 마스크를 사용한 알칼리성 습식 에칭을 정밀하게 구현함으로써 LiTaO₃ 웨이퍼에서 5.6 dB/m의 파손 손실을 달성하였다.
• VπL 제품이 4.2 V·cm인 맥스-젠더 모듈레이터가 실현되었으며, 이는 CMOS 호환 작동에 적합한 높은 전기광학 효율성을 나타낸다.
• 마이크로레조네이터는 내재된 대역폭이 26.8 MHz이며, 약 1.1×10⁶의 품질 인자에 해당하여 낮은 광학 손실을 나타낸다.
• X-절단 LiTaO₃ 레이서트랙 마이크로레조네이터에서 반복 주파수가 30.1 GHz인 솔리톤 마이크로콤 생성이 실현되었으며, 직접 전자적 검출이 가능하다.
• 마이크로파 비트 노트는 10 kHz 오프셋에서 −86 dBc/Hz, 1 MHz 오프셋에서 −114 dBc/Hz의 위상 잡음을 나타내어 이전의 Si₃N₄ 및 Z-절단 LiNbO₃ 결과를 뛰어넘는다.
• 이완된 이방성과 모드 혼합 억제 덕분에 플랫폼은 전체 O 대역에서 L 대역(1260–1620 nm)까지 광역 대역 단일 모드 작동을 지원한다.

Figure 2: Optical characterization of $\mathrm{LiTaO}_{3}$ photonic integrated circuits. (a) Wafer-scale map of mean intrinsic loss $\kappa_{0}/2\pi$ for similar resonators fabricated using DUV stepper lithography. (b) Normalized resonance transmission spectrum of optical racetrack microresonator at