El tantalato de litio en película delgada (LTOI) se está consolidando como una fuerza emergente en el campo de la óptica integrada. Este año se han publicado varios trabajos de alto nivel sobre moduladores LTOI, gracias a las obleas LTOI de alta calidad proporcionadas por el profesor Xin Ou del Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghái, y a los procesos de grabado de guías de onda de alta calidad desarrollados por el grupo del profesor Kippenberg en la EPFL, Suiza. Su colaboración ha arrojado resultados impresionantes. Además, equipos de investigación de la Universidad de Zhejiang, liderados por el profesor Liu Liu, y de la Universidad de Harvard, liderados por el profesor Loncar, también han presentado informes sobre moduladores LTOI de alta velocidad y alta estabilidad.
El LTOI, un material estrechamente relacionado con el niobato de litio de película delgada (LNOI), conserva la modulación de alta velocidad y las bajas pérdidas características del niobato de litio, a la vez que ofrece ventajas como un 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 contra 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 de una pérdida de guía de onda 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, y la modulación basada en el efecto Pockels permite un gran ancho de banda. Actualmente, los moduladores LTOI son capaces de alcanzar un rendimiento de 400G por canal, con un ancho de banda superior a 110 GHz.
③Banda prohibida:3,93 eV frente a 3,78 eV
Ambos materiales poseen una amplia ventana de transparencia, 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 vs 27 pm/V
Si se utilizan para aplicaciones no lineales como la generación de segundo armónico (SHG), la generación de frecuencia diferencial (DFG) o la generación de frecuencia suma (SFG), las eficiencias de conversión de los dos materiales deberían ser bastante similares.
◆ Ventaja de costes de LTOI frente a LNOI
①Menor costo de preparación de obleas
La tecnología LNOI requiere implantación de iones de helio para la separación de capas, lo que resulta en una baja eficiencia de ionización. En contraste, la tecnología LTOI utiliza implantación de iones de hidrógeno para la separación, de forma similar a la SOI, con una eficiencia de deslaminación más de 10 veces superior a la de LNOI. Esto se traduce en una diferencia de precio significativa para obleas de 6 pulgadas: 300 $ frente a 2000 $, lo que supone una reducción de costes 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 en el material, menor efecto fotorrefractivo, 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 onda. Sin tratamiento, estos dispositivos podían tardar hasta un día en estabilizarse. Sin embargo, se desarrollaron diversos métodos para solucionar este problema, como el revestimiento con óxido metálico, la polarización del sustrato y el recocido, lo que permite controlarlo en gran medida en la actualidad.
En contraste, el LTOI presenta menos defectos materiales, lo que reduce significativamente 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 suele utilizar moduladores LNOI sin tratar, lo cual podría no ser del todo justo; con 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 elevada birrefringencia del niobato de litio (LNOI) puede resultar problemática en ocasiones, sobre todo porque las curvas en la guía de onda pueden provocar acoplamiento e hibridación de modos. En capas delgadas de LNOI, una curva en la guía de onda puede convertir parcialmente la luz TE en luz TM, lo que dificulta la fabricación de ciertos dispositivos pasivos, como los filtros.
Con LTOI, la menor birrefringencia elimina este problema, lo que facilita el desarrollo de dispositivos pasivos de alto rendimiento. La EPFL también ha publicado resultados notables, aprovechando la baja birrefringencia del LTOI y la ausencia de cruce de modos para lograr la generación de peines de frecuencia electroópticos de espectro ultra amplio con un control de dispersión plano en un amplio rango espectral. Esto dio como resultado un impresionante ancho de banda de 450 nm con más de 2000 líneas, varias veces superior al 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 elevado
El umbral de daño óptico del LTOI es el doble que el del 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 de potencia actuales de los módulos ópticos dañen el niobato de litio.
④Efecto Raman bajo
Esto también se aplica a las 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 competencia de ganancia, impidiendo que los peines de frecuencia óptica de niobato de litio cortados en el eje 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 cortado en el eje x genere peines de frecuencia óptica de solitón. Esto posibilita la integración monolítica de peines de frecuencia óptica de solitón con moduladores de alta velocidad, una hazaña imposible 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 inferior a la del 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, proceso que requiere un recocido a más de 1000 °C, lo que hacía que el LTOI no fuera adecuado. 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 resulta más que suficiente.
◆ ¿Reemplazará el tantalato de litio de película delgada (LTOI) al niobato de litio de película delgada (TFLN)?
Según las investigaciones actuales, el LTOI ofrece ventajas en rendimiento pasivo, estabilidad y coste de producción a gran escala, sin inconvenientes aparentes. Sin embargo, el LTOI no supera al niobato de litio en rendimiento de modulación, y los problemas de estabilidad del LNOI tienen soluciones conocidas. Para los módulos DR de comunicación, la demanda de componentes pasivos es mínima (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 fiabilidad (la dificultad con el grabado del niobato de litio no radicaba 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, el LTOI podría necesitar descubrir nuevas ventajas. Desde el punto de vista académico, el 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.
Fecha de publicación: 8 de noviembre de 2024