El tantalato de litio de película delgada (LTOI) se perfila como un nuevo y prometedor campo en el campo de la óptica integrada. Este año se han publicado varios trabajos de alto nivel sobre moduladores LTOI, con obleas LTOI de alta calidad proporcionadas por el profesor Xin Ou, del Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghái, y procesos de grabado de guías de onda de alta calidad desarrollados por el grupo del profesor Kippenberg en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), Suiza. Su colaboración ha arrojado resultados impresionantes. Además, equipos de investigación de la Universidad de Zhejiang, dirigidos por el profesor Liu Liu, y de la Universidad de Harvard, dirigidos por el profesor Loncar, también han publicado información sobre moduladores LTOI de alta velocidad y alta estabilidad.
Como pariente cercano del niobato de litio de película delgada (LNOI), el LTOI conserva las características de modulación de alta velocidad y baja pérdida del niobato de litio, a la vez que ofrece ventajas como bajo costo, baja birrefringencia y efectos fotorrefractivos reducidos. A continuación, se presenta una comparación de las principales características de ambos materiales.
◆ Similitudes entre el tantalato de litio (LTOI) y el niobato de litio (LNOI)
①Índice de refracción:2.12 frente a 2.21
Esto implica que las dimensiones de la guía de onda monomodo, el radio de curvatura y los tamaños comunes de los dispositivos pasivos basados en ambos materiales son muy similares, y su rendimiento de acoplamiento de fibra también es comparable. Con un buen grabado de la guía de onda, ambos materiales pueden lograr una pérdida de inserción de<0,1 dB/cm. La EPFL informa una pérdida de guía de ondas de 5,6 dB/m.
2Coeficiente electroóptico:30,5 pm/V frente a 30,9 pm/V
La eficiencia de modulación es comparable para ambos materiales, con modulación basada en el efecto Pockels, lo que permite un alto ancho de banda. Actualmente, los moduladores LTOI pueden alcanzar un rendimiento de 400 G por carril, con un ancho de banda superior a 110 GHz.
③Banda prohibida:3,93 eV frente a 3,78 eV
Ambos materiales tienen una amplia ventana transparente, lo que permite aplicaciones desde longitudes de onda visibles hasta infrarrojas, sin absorción en las bandas de comunicación.
④Coeficiente no lineal de segundo orden (d33):21 pm/V frente a 27 pm/V
Si se utiliza para aplicaciones no lineales, como generación de segundo armónico (SHG), generación de diferencia de frecuencia (DFG) o generación de suma de frecuencia (SFG), las eficiencias de conversión de los dos materiales deberían ser bastante similares.
◆ Ventaja de costo de LTOI vs LNOI
①Menor costo de preparación de obleas
La LNOI requiere la implantación de iones de He para la separación de capas, lo que presenta una baja eficiencia de ionización. En cambio, la LTOI utiliza la implantación de iones de H para la separación, similar a la SOI, con una eficiencia de delaminación más de 10 veces superior a la de la LNOI. Esto resulta en una diferencia de precio significativa para las obleas de 6 pulgadas: $300 frente a $2000, lo que representa una reducción del 85 %.
2Ya se utiliza ampliamente en el mercado de la electrónica de consumo para filtros acústicos.(750.000 unidades anuales, utilizadas por Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Ventajas de rendimiento de LTOI frente a LNOI
①Menos defectos de material, efecto fotorrefractivo más débil, mayor estabilidad
Inicialmente, los moduladores LNOI solían presentar deriva del punto de polarización, principalmente debido a la acumulación de carga causada por defectos en la interfaz de la guía de ondas. Sin tratamiento, estos dispositivos podían tardar hasta un día en estabilizarse. Sin embargo, se desarrollaron diversos métodos para abordar este problema, como el uso de revestimiento de óxido metálico, la polarización del sustrato y el recocido, lo que ha hecho que este problema sea prácticamente controlable en la actualidad.
En cambio, el LTOI presenta menos defectos de material, lo que resulta en una reducción significativa de los fenómenos de deriva. Incluso sin procesamiento adicional, su punto de operación se mantiene relativamente estable. Resultados similares han sido reportados por la EPFL, Harvard y la Universidad de Zhejiang. Sin embargo, la comparación a menudo utiliza moduladores LNOI sin tratar, lo cual puede no ser del todo justo; con el procesamiento, el rendimiento de ambos materiales probablemente sea similar. La principal diferencia radica en que el LTOI requiere menos pasos de procesamiento adicionales.
2Birrefringencia inferior: 0,004 frente a 0,07
La alta birrefringencia del niobato de litio (LNOI) puede ser problemática en ocasiones, especialmente porque las curvaturas de la guía de onda pueden causar acoplamiento e hibridación de modos. En LNOI delgados, una curvatura en la guía de onda puede convertir parcialmente la luz TE en luz TM, lo que complica la fabricación de ciertos dispositivos pasivos, como los filtros.
Con LTOI, la menor birrefringencia elimina este problema, lo que podría facilitar el desarrollo de dispositivos pasivos de alto rendimiento. La EPFL también ha publicado resultados notables, aprovechando la baja birrefringencia de LTOI y la ausencia de cruce de modos para lograr la generación de peines de frecuencia electroópticos de espectro ultra amplio con control de dispersión plana en un amplio rango espectral. Esto resultó en un impresionante ancho de banda de peine de 450 nm con más de 2000 líneas, varias veces mayor que el que se puede lograr con niobato de litio. En comparación con los peines de frecuencia ópticos Kerr, los peines electroópticos ofrecen la ventaja de no tener umbral y ser más estables, aunque requieren una entrada de microondas de alta potencia.
③Umbral de daño óptico más alto
El umbral de daño óptico de LTOI es el doble que el de LNOI, lo que ofrece una ventaja en aplicaciones no lineales (y potencialmente en futuras aplicaciones de Absorción Perfecta Coherente [CPO]). Es improbable que los niveles actuales de potencia del módulo óptico dañen el niobato de litio.
④Efecto Raman bajo
Esto también aplica a aplicaciones no lineales. El niobato de litio presenta un fuerte efecto Raman, que en aplicaciones de peines de frecuencia óptica Kerr puede generar luz Raman no deseada y generar competencia, impidiendo que los peines de frecuencia óptica de niobato de litio de corte X alcancen el estado de solitón. Con LTOI, el efecto Raman se puede suprimir mediante el diseño de la orientación del cristal, lo que permite que el LTOI de corte X genere peines de frecuencia óptica de solitón. Esto permite la integración monolítica de peines de frecuencia óptica de solitón con moduladores de alta velocidad, una hazaña inalcanzable con LNOI.
◆ ¿Por qué no se mencionó antes el tantalato de litio de película delgada (LTOI)?
El tantalato de litio tiene una temperatura de Curie más baja que el niobato de litio (610 °C frente a 1157 °C). Antes del desarrollo de la tecnología de heterointegración (XOI), los moduladores de niobato de litio se fabricaban mediante difusión de titanio, lo que requiere un recocido a más de 1000 °C, lo que hace que la LTOI no sea adecuada. Sin embargo, con la tendencia actual hacia el uso de sustratos aislantes y el grabado de guías de onda para la formación de moduladores, una temperatura de Curie de 610 °C es más que suficiente.
◆ ¿Reemplazará el tantalato de litio de película delgada (LTOI) al niobato de litio de película delgada (TFLN)?
Según la investigación actual, la LTOI ofrece ventajas en rendimiento pasivo, estabilidad y coste de producción a gran escala, sin inconvenientes aparentes. Sin embargo, la LTOI no supera al niobato de litio en rendimiento de modulación, y los problemas de estabilidad con la LNOI tienen soluciones conocidas. Para los módulos de comunicación DR, la demanda de componentes pasivos es mínima (y podría utilizarse nitruro de silicio si fuera necesario). Además, se requieren nuevas inversiones para restablecer los procesos de grabado a nivel de oblea, las técnicas de heterointegración y las pruebas de fiabilidad (la dificultad con el grabado con niobato de litio no residía en la guía de ondas, sino en lograr un grabado a nivel de oblea de alto rendimiento). Por lo tanto, para competir con la posición consolidada del niobato de litio, la LTOI podría necesitar descubrir nuevas ventajas. No obstante, desde el punto de vista académico, la LTOI ofrece un importante potencial de investigación para sistemas integrados en chip, como peines electroópticos de octava, PPLT, dispositivos de división de longitud de onda de solitones y AWG, y moduladores de matriz.
Hora de publicación: 08-nov-2024