El material de tantalato de litio de película delgada (LTOI) está surgiendo como una nueva fuerza importante 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 Shanghai, y procesos de grabado de guías de onda de alta calidad desarrollados por el grupo del profesor Kippenberg en la EPFL. , Suiza. Sus esfuerzos de colaboración han 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 informado sobre moduladores LTOI de alta velocidad y estabilidad.
Como pariente cercano del niobato de litio de película delgada (LNOI), el LTOI conserva la modulación de alta velocidad y las características de baja pérdida del niobato de litio, al tiempo que ofrece ventajas como bajo costo, baja birrefringencia y efectos fotorrefractivos reducidos. A continuación se presenta una comparación de las principales características de los dos materiales.
◆ Similitudes entre tantalato de litio (LTOI) y 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 de dispositivos pasivos comunes basados en ambos materiales son muy similares, y su rendimiento de acoplamiento de fibra también es comparable. Con un buen grabado de guía de ondas, ambos materiales pueden lograr una pérdida de inserción de<0,1 dB/cm. EPFL informa una pérdida de guía de ondas de 5,6 dB/m.
②Coeficiente electroóptico:30,5 p.m./V frente a 30,9 p.m./V
La eficiencia de la modulación es comparable para ambos materiales, con una modulación basada en el efecto Pockels, lo que permite un gran ancho de banda. Actualmente, los moduladores LTOI son capaces de alcanzar un rendimiento de 400G 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, que admite aplicaciones desde longitudes de onda visibles hasta infrarrojas, sin absorción en las bandas de comunicación.
④Coeficiente no lineal de segundo orden (d33):21 hs/V frente a 27 hs/V
Si se utiliza para aplicaciones no lineales como generación de segundo armónico (SHG), generación de frecuencia diferencial (DFG) o generación de frecuencia suma (SFG), las eficiencias de conversión de los dos materiales deberían ser bastante similares.
◆ Ventaja de costos de LTOI frente a LNOI
①Menor costo de preparación de oblea
LNOI requiere la implantación de iones He para la separación de capas, que tiene una baja eficiencia de ionización. Por el contrario, LTOI utiliza la implantación de iones H para la separación, similar a SOI, con una eficiencia de delaminación más de 10 veces mayor que LNOI. Esto da como resultado una diferencia de precio significativa para las obleas de 6 pulgadas: $300 frente a $2000, una reducción de costos 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 materiales, efecto fotorrefractivo más débil, más estabilidad
Inicialmente, los moduladores LNOI a menudo presentaban una deriva del punto de polarización, principalmente debido a la acumulación de carga causada por defectos en la interfaz de la guía de ondas. Si no se tratan, estos dispositivos podrían tardar hasta un día en estabilizarse. Sin embargo, se desarrollaron varios métodos para abordar este problema, como el uso de revestimiento de óxido metálico, polarización de sustrato y recocido, lo que hace que este problema sea en gran medida manejable ahora.
Por el contrario, LTOI tiene menos defectos materiales, lo que lleva a una reducción significativa de los fenómenos de deriva. Incluso sin procesamiento adicional, su punto operativo permanece relativamente estable. La EPFL, Harvard y la Universidad de Zhejiang han informado resultados similares. Sin embargo, la comparación suele utilizar moduladores LNOI no tratados, lo que puede no ser del todo justo; con el procesamiento, es probable que el rendimiento de ambos materiales sea similar. La principal diferencia radica en que 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 un desafío en ocasiones, especialmente porque las curvaturas de la guía de ondas pueden causar acoplamiento de modos e hibridación de modos. En LNOI delgado, una curva en la guía de ondas puede convertir parcialmente la luz TE en luz TM, complicando la fabricación de ciertos dispositivos pasivos, como filtros.
Con LTOI, la birrefringencia más baja elimina este problema, lo que potencialmente facilita el desarrollo de dispositivos pasivos de alto rendimiento. EPFL también ha informado resultados notables, aprovechando la baja birrefringencia de LTOI y la ausencia de cruce de modos para lograr una generación de peine de frecuencia electroóptica de espectro ultra amplio con control de dispersión plano en un amplio rango espectral. Esto dio como resultado un impresionante ancho de banda de peine de 450 nm con más de 2000 líneas de peine, varias veces mayor de lo que se puede lograr con niobato de litio. En comparación con los peines de frecuencia óptica de Kerr, los peines electroópticos ofrecen la ventaja de no tener umbrales 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 poco probable que los niveles actuales de potencia del módulo óptico dañen el niobato de litio.
④Efecto Raman bajo
Esto también se aplica a aplicaciones no lineales. El niobato de litio tiene un fuerte efecto Raman, que en las aplicaciones de peine de frecuencia óptica de Kerr puede provocar una generación de luz Raman no deseada y ganar competencia, evitando que los peines de frecuencia óptica de niobato de litio con corte x alcancen el estado de solitón. Con LTOI, el efecto Raman se puede suprimir mediante el diseño de orientación del cristal, lo que permite que el LTOI de corte x logre la generación de peine de frecuencia óptica de solitones. Esto permite la integración monolítica de peines de frecuencia óptica de solitones con moduladores de alta velocidad, una hazaña que no se puede lograr 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, que requiere recocido a más de 1000 °C, lo que hace que el LTOI no sea adecuado. Sin embargo, con el cambio actual hacia el uso de sustratos aislantes y grabado de guías de ondas para la formación de moduladores, una temperatura Curie de 610°C es más que suficiente.
◆ ¿El tantalato de litio de película delgada (LTOI) reemplazará al niobato de litio de película delgada (TFLN)?
Según la investigación actual, LTOI ofrece ventajas en rendimiento pasivo, estabilidad y costo de producción a gran escala, sin inconvenientes aparentes. Sin embargo, LTOI no supera al niobato de litio en rendimiento de modulación y los problemas de estabilidad con LNOI tienen soluciones conocidas. Para los módulos DR de comunicación, existe una demanda mínima de componentes pasivos (y se podría utilizar 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 confiabilidad (la dificultad con el grabado con niobato de litio no fue la guía de ondas, sino lograr un grabado a nivel de oblea de alto rendimiento). Por lo tanto, para competir con la posición establecida del niobato de litio, es posible que LTOI necesite descubrir más ventajas. Académicamente, sin embargo, LTOI ofrece un importante potencial de investigación para sistemas integrados en chips, como peines electroópticos de octava, dispositivos de división de longitud de onda PPLT, solitones y AWG, y moduladores de matriz.
Hora de publicación: 08-nov-2024