O material de tantalato de litio de película fina (LTOI) está a emerxer como unha nova forza significativa no campo da óptica integrada. Este ano, publicáronse varios traballos de alto nivel sobre moduladores LTOI, con obleas LTOI de alta calidade proporcionadas polo profesor Xin Ou do Instituto de Microsistemas e Tecnoloxía da Información de Shanghai, e procesos de gravado de guías de ondas de alta calidade desenvolvidos polo grupo do profesor Kippenberg na EPFL, Suíza. Os seus esforzos de colaboración mostraron resultados impresionantes. Ademais, equipos de investigación da Universidade de Zhejiang dirixidos polo profesor Liu Liu e da Universidade de Harvard dirixidos polo profesor Loncar tamén informaron sobre moduladores LTOI de alta velocidade e alta estabilidade.
Como parente próximo do niobato de litio de película fina (LNOI), o LTOI mantén as características de modulación de alta velocidade e baixas perdas do niobato de litio, ao tempo que ofrece vantaxes como baixo custo, baixa birrefrinxencia e efectos fotorrefractivos reducidos. A continuación preséntase unha comparación das principais características dos dous materiais.
◆ Semellanzas entre o tantalato de litio (LTOI) e o niobato de litio (LNOI)
1.Índice de refracción:2,12 fronte a 2,21
Isto implica que as dimensións das guías de onda monomodais, o raio de curvatura e os tamaños comúns dos dispositivos pasivos baseados en ambos os materiais son moi similares, e o seu rendemento de acoplamento de fibra tamén é comparable. Cun bo gravado das guías de onda, ambos os materiais poden conseguir unha perda de inserción de<0,1 dB/cm. A EPFL informa dunha perda na guía de ondas de 5,6 dB/m.
2.Coeficiente electroóptico:30,5 pm/V fronte a 30,9 pm/V
A eficiencia de modulación é comparable para ambos materiais, cunha modulación baseada no efecto Pockels, o que permite unha gran largura de banda. Actualmente, os moduladores LTOI son capaces de alcanzar un rendemento de 400 G por pista, cunha largura de banda superior a 110 GHz.
③Banda prohibida:3,93 eV fronte a 3,78 eV
Ambos os materiais teñen unha ampla xanela transparente, que admite aplicacións desde lonxitudes de onda visibles ata infravermellas, sen absorción nas bandas de comunicación.
④Coeficiente non lineal de segunda orde (d33):21:00/V fronte ás 27:00/V
Se se empregan para aplicacións non lineais como a xeración de segundos harmónicos (SHG), a xeración de diferenza-frecuencia (DFG) ou a xeración de suma-frecuencia (SFG), as eficiencias de conversión dos dous materiais deberían ser bastante similares.
◆ Vantaxe de custos de LTOI fronte a LNOI
1.Menor custo de preparación de obleas
A LNOI require a implantación de ións He para a separación de capas, que ten unha baixa eficiencia de ionización. Pola contra, a LTOI usa a implantación de ións H para a separación, semellante á SOI, cunha eficiencia de delaminación máis de 10 veces maior que a do LNOI. Isto resulta nunha diferenza de prezo significativa para as obleas de 6 polgadas: 300 $ fronte a 2000 $, unha redución de custos do 85 %.
2.Xa se emprega amplamente no mercado da electrónica de consumo para filtros acústicos(750.000 unidades anuais, empregadas por Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Vantaxes de rendemento de LTOI fronte a LNOI
1.Menos defectos materiais, efecto fotorrefractivo máis débil, máis estabilidade
Inicialmente, os moduladores LNOI a miúdo presentaban unha desviación do punto de polarización, principalmente debido á acumulación de carga causada por defectos na interface da guía de ondas. Se non se tratan, estes dispositivos poderían tardar ata un día en estabilizarse. Non obstante, desenvolvéronse varios métodos para abordar este problema, como o uso de revestimento de óxido metálico, a polarización do substrato e o recocido, o que fai que este problema sexa en gran medida manexable agora.
En contraste, o LTOI ten menos defectos de material, o que leva a unha redución significativa dos fenómenos de deriva. Mesmo sen procesamento adicional, o seu punto de funcionamento permanece relativamente estable. A EPFL, Harvard e a Universidade de Zhejiang informaron de resultados semellantes. Non obstante, a comparación adoita empregar moduladores de LNOI sen tratar, o que pode non ser totalmente xusto; co procesamento, o rendemento de ambos materiais é probablemente similar. A principal diferenza reside en que o LTOI require menos pasos de procesamento adicionais.
2.Birrefrinxencia inferior: 0,004 fronte a 0,07
A alta birrefrinxencia do niobato de litio (LNOI) pode ser un reto ás veces, especialmente porque as curvas da guía de ondas poden causar acoplamento de modos e hibridación de modos. Nun LNOI fino, unha curva na guía de ondas pode converter parcialmente a luz TE en luz TM, o que complica a fabricación de certos dispositivos pasivos, como os filtros.
Con LTOI, a menor birrefrinxencia elimina este problema, o que potencialmente facilita o desenvolvemento de dispositivos pasivos de alto rendemento. A EPFL tamén informou de resultados notables, aproveitando a baixa birrefrinxencia do LTOI e a ausencia de cruce de modos para lograr a xeración de peites de frecuencia electroópticos de espectro ultraamplio con control de dispersión plano nun amplo rango espectral. Isto deu lugar a un impresionante ancho de banda de peite de 450 nm con máis de 2000 liñas de peite, varias veces maior que o que se pode conseguir co niobato de litio. En comparación cos peites de frecuencia ópticos de Kerr, os peites electroópticos ofrecen a vantaxe de non ter limiar e ser máis estables, aínda que requiren unha entrada de microondas de alta potencia.
③Limiar de dano óptico máis alto
O limiar de dano óptico do LTOI é o dobre que o do LNOI, o que ofrece unha vantaxe en aplicacións non lineais (e potencialmente futuras aplicacións de Absorción Perfecta Coherente (CPO)). É improbable que os niveis de potencia actuais dos módulos ópticos danen o niobato de litio.
④Efecto Raman baixo
Isto tamén se aplica a aplicacións non lineais. O niobato de litio ten un forte efecto Raman, que nas aplicacións de peites de frecuencia ópticos de Kerr pode levar a unha xeración de luz Raman non desexada e a unha competencia de ganancia, o que impide que os peites de frecuencia ópticos de niobato de litio de corte X alcancen o estado de solitón. Co LTOI, o efecto Raman pódese suprimir mediante o deseño de orientación do cristal, o que permite que o LTOI de corte X logre a xeración de peites de frecuencia ópticos de solitóns. Isto permite a integración monolítica de peites de frecuencia ópticos de solitóns con moduladores de alta velocidade, unha fazaña que non se pode alcanzar co LNOI.
◆ Por que non se mencionou antes o tantalato de litio de película fina (LTOI)?
O tantalato de litio ten unha temperatura de Curie máis baixa que o niobato de litio (610 °C fronte a 1157 °C). Antes do desenvolvemento da tecnoloxía de heterointegración (XOI), os moduladores de niobato de litio fabricábanse mediante difusión de titanio, que require un recocido a máis de 1000 °C, o que fai que o LTOI non sexa axeitado. Non obstante, coa tendencia actual a usar substratos illantes e gravado de guías de ondas para a formación de moduladores, unha temperatura de Curie de 610 °C é máis que suficiente.
◆ Substituirá o tantalato de litio de película fina (LTOI) ao niobato de litio de película fina (TFLN)?
Segundo a investigación actual, o LTOI ofrece vantaxes en rendemento pasivo, estabilidade e custo de produción a grande escala, sen inconvenientes aparentes. Non obstante, o LTOI non supera o niobato de litio no rendemento de modulación e os problemas de estabilidade co LNOI teñen solucións coñecidas. Para os módulos DR de comunicación, hai unha demanda mínima de compoñentes pasivos (e podería usarse nitruro de silicio se fose necesario). Ademais, requírense novos investimentos para restablecer os procesos de gravado a nivel de oblea, as técnicas de heterointegración e as probas de fiabilidade (a dificultade co gravado de niobato de litio non era a guía de ondas, senón lograr un gravado a nivel de oblea de alto rendemento). Polo tanto, para competir coa posición establecida do niobato de litio, o LTOI pode ter que descubrir máis vantaxes. Academicamente, con todo, o LTOI ofrece un potencial de investigación significativo para sistemas integrados en chip, como peites electroópticos de extensión de oitava, PPLT, dispositivos de división de lonxitudes de onda de solitones e AWG e moduladores de matriz.
Data de publicación: 08-11-2024