Tantalato de litio de película fina (LTOI): o seguinte material estrela para moduladores de alta velocidade?

O material de tantalato de litio de película fina (LTOI) está emerxendo 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, os 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 delgada (LNOI), LTOI conserva as características de modulación de alta velocidade e baixas perdas do niobato de litio ao tempo que ofrece vantaxes como baixo custo, baixa birrefringencia e efectos fotorrefractivos reducidos. A continuación preséntase unha comparación das principais características dos dous materiais.

微信图片_20241106164015

◆ Semellanzas entre tantalato de litio (LTOI) e niobato de litio (LNOI)
Índice de refracción:2.12 vs 2.21
Isto implica que as dimensións da guía de ondas monomodo, o raio de curvatura e os tamaños de dispositivos pasivos comúns baseados en ambos materiais son moi similares e o seu rendemento de acoplamento de fibras tamén é comparable. Cun bo gravado de guía de ondas, ambos materiais poden conseguir unha perda de inserción de<0,1 dB/cm. EPFL informa unha perda da guía de ondas de 5,6 dB/m.

Coeficiente electro-óptico:30.5 pm/V vs 30.9 pm/V
A eficiencia de modulación é comparable para ambos materiais, cunha modulación baseada no efecto Pockels, o que permite un alto ancho de banda. Actualmente, os moduladores LTOI son capaces de acadar un rendemento de 400G por pista, cun ancho de banda superior a 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV fronte a 3,78 eV
Ambos materiais teñen unha ampla ventá transparente, que admite aplicacións desde lonxitudes de onda visibles ata infravermellas, sen absorción nas bandas de comunicación.

Coeficiente non lineal de segunda orde (d33):21:00/V vs 27:00/V
Se se usa para aplicacións non lineais como a xeración de segundos harmónicos (SHG), a xeración de diferenza de frecuencia (DFG) ou a xeración de suma de frecuencias (SFG), as eficiencias de conversión dos dous materiais deberían ser bastante similares.

◆ Vantaxe de custo de LTOI vs LNOI
Menor custo de preparación de obleas
O LNOI require a implantación de ións He para a separación de capas, que ten unha baixa eficiencia de ionización. Pola contra, o LTOI utiliza a implantación de ións H para a separación, similar ao SOI, cunha eficiencia de delaminación máis de 10 veces superior á LNOI. Isto dá como resultado unha diferenza de prezo significativa para as obleas de 6 polgadas: 300 dólares fronte a 2.000 dólares, unha redución do custo do 85 %.

微信图片_20241106165545

Xa é moi utilizado no mercado da electrónica de consumo para filtros acústicos(750.000 unidades anuais, utilizadas por Samsung, Apple, Sony, etc.).

微信图片_20241106165539

◆ Vantaxes de rendemento de LTOI vs LNOI
Menos defectos materiais, efecto fotorrefractivo máis débil, máis estabilidade
Inicialmente, os moduladores LNOI a miúdo mostraban unha deriva 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 poden tardar ata un día en estabilizarse. Non obstante, desenvolvéronse varios métodos para abordar este problema, como o uso de revestimento de óxido metálico, polarización do substrato e recocido, facendo que este problema sexa en gran medida manexable agora.
Pola contra, o LTOI ten menos defectos materiais, o que leva a fenómenos de deriva significativamente reducidos. Aínda sen procesamento adicional, o seu punto de funcionamento permanece relativamente estable. Resultados similares foron informados pola EPFL, Harvard e a Universidade de Zhejiang. Non obstante, a comparación adoita empregar moduladores LNOI non tratados, o que pode non ser totalmente xusto; co procesamento, o rendemento de ambos materiais é probable que sexa similar. A principal diferenza reside en que LTOI require menos pasos de procesamento adicionais.

微信图片_20241106165708

Birrefringencia inferior: 0,004 vs 0,07
A alta birrefringencia do niobato de litio (LNOI) pode ser un reto ás veces, especialmente porque as curvas das guías de ondas poden causar acoplamento e hibridación de modos. No LNOI fino, unha curva na guía de ondas pode converter parcialmente a luz TE en luz TM, complicando a fabricación de certos dispositivos pasivos, como filtros.
Con LTOI, a birrefringencia máis baixa elimina este problema, facilitando potencialmente o desenvolvemento de dispositivos pasivos de alto rendemento. A EPFL tamén informou de resultados notables, aproveitando a baixa birrefringencia e a ausencia de cruce de modos de LTOI para lograr a xeración de peites de frecuencia electroóptica de espectro ultra amplo cun control de dispersión plano nun amplo rango espectral. Isto deu como resultado un ancho de banda de peite impresionante 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 óptica de Kerr, os peites electro-ópticos ofrecen a vantaxe de que non teñen limiares e son máis estables, aínda que requiren unha entrada de microondas de alta potencia.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Limiar de dano óptico superior
O limiar de dano óptico de LTOI é o dobre que o de LNOI, ofrecendo unha vantaxe en aplicacións non lineais (e potencialmente futuras aplicacións de absorción perfecta coherente (CPO)). É improbable que os niveis de potencia do módulo óptico actuais danen o niobato de litio.
Efecto Raman baixo
Isto tamén se refire a aplicacións non lineais. O niobato de litio ten un forte efecto Raman, que nas aplicacións de pente de frecuencia óptica Kerr pode provocar unha xeración de luz Raman non desexada e gañar competencia, evitando que os peites de frecuencia óptica de niobato de litio cortados en x cheguen ao estado solitón. Con LTOI, o efecto Raman pódese suprimir a través do deseño de orientación de cristal, o que permite que o LTOI de corte x consiga a xeración de peites de frecuencia óptica de solitóns. Isto permite a integración monolítica de peites de frecuencia óptica solitón con moduladores de alta velocidade, unha fazaña non alcanzable con LNOI.
◆ Por que non se mencionou anteriormente 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 fabricáronse mediante difusión de titanio, o que require un recocido a máis de 1000 °C, polo que o LTOI non é adecuado. Non obstante, co cambio actual cara ao uso de substratos illantes e gravado de guías de ondas para a formación de moduladores, unha temperatura de Curie de 610 °C é máis que suficiente.
◆ ¿Sustituirá o tantalato de litio de película fina (LTOI) o niobato de litio de película delgada (TFLN)?
Baseándose na investigación actual, LTOI ofrece vantaxes en rendemento pasivo, estabilidade e custo de produción a gran escala, sen inconvenientes aparentes. Non obstante, o LTOI non supera o niobato de litio no rendemento da modulación e os problemas de estabilidade con LNOI teñen solucións coñecidas. Para os módulos de comunicación DR, hai unha demanda mínima de compoñentes pasivos (e podería usarse nitruro de silicio se é necesario). Ademais, son necesarios 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, LTOI pode ter que descubrir máis vantaxes. Académicamente, con todo, LTOI ofrece un potencial de investigación significativo para sistemas integrados en chip, como peites electro-ópticos de oitava, PPLT, dispositivos de división de lonxitude de onda de solitóns e AWG e moduladores de matriz.


Hora de publicación: 08-nov-2024