El material de tantalat de liti de pel·lícula fina (LTOI) està emergint com una nova força significativa en el camp de l'òptica integrada. Aquest any, s'han publicat diversos treballs d'alt nivell sobre moduladors LTOI, amb oblies LTOI d'alta qualitat proporcionades pel professor Xin Ou de l'Institut de Microsistemes i Tecnologia de la Informació de Xangai, i processos de gravat de guies d'ones d'alta qualitat desenvolupats pel grup del professor Kippenberg a l'EPFL, Suïssa. Els seus esforços de col·laboració han mostrat resultats impressionants. A més, equips de recerca de la Universitat de Zhejiang dirigits pel professor Liu Liu i la Universitat de Harvard dirigits pel professor Loncar també han informat sobre moduladors LTOI d'alta velocitat i alta estabilitat.
Com a parent proper del niobat de liti de pel·lícula fina (LNOI), l'LTOI conserva les característiques de modulació d'alta velocitat i baixa pèrdua del niobat de liti, alhora que ofereix avantatges com ara baix cost, baixa birefringència i efectes fotorefractius reduïts. A continuació es presenta una comparació de les principals característiques dels dos materials.
◆ Similituds entre el tantalat de liti (LTOI) i el niobat de liti (LNOI)
1.Índex de refracció:2.12 contra 2.21
Això implica que les dimensions de la guia d'ones monomodal, el radi de curvatura i les mides comunes dels dispositius passius basats en ambdós materials són molt similars, i el seu rendiment d'acoblament de fibra també és comparable. Amb un bon gravat de la guia d'ones, ambdós materials poden aconseguir una pèrdua d'inserció de<0,1 dB/cm. L'EPFL informa d'una pèrdua a la guia d'ones de 5,6 dB/m.
2.Coeficient electroòptic:30,5 pm/V enfront de 30,9 pm/V
L'eficiència de modulació és comparable per a tots dos materials, amb una modulació basada en l'efecte Pockels, que permet un ample de banda elevat. Actualment, els moduladors LTOI són capaços d'aconseguir un rendiment de 400 G per carril, amb un ample de banda superior a 110 GHz.
3Banda prohibida:3,93 eV enfront de 3,78 eV
Ambdós materials tenen una àmplia finestra transparent, que admet aplicacions des de longituds d'ona visibles fins a infraroges, sense absorció a les bandes de comunicació.
④Coeficient no lineal de segon ordre (d33):21 h/V vs 27 h/V
Si s'utilitza per a aplicacions no lineals com la generació de segons harmònics (SHG), la generació de diferència-freqüència (DFG) o la generació de suma-freqüència (SFG), les eficiències de conversió dels dos materials haurien de ser força similars.
◆ Avantatge de cost de LTOI vs LNOI
1.Cost de preparació de les oblies més baix
L'LNOI requereix la implantació d'ions He per a la separació de capes, que té una baixa eficiència d'ionització. En canvi, l'LTOI utilitza la implantació d'ions H per a la separació, similar a la SOI, amb una eficiència de delaminació més de 10 vegades superior a la de l'LNOI. Això resulta en una diferència de preu significativa per a les oblies de 6 polzades: 300 dòlars enfront de 2000 dòlars, una reducció de costos del 85%.
2.Ja s'utilitza àmpliament al mercat de l'electrònica de consum per a filtres acústics.(750.000 unitats anuals, utilitzades per Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Avantatges de rendiment de LTOI vs LNOI
1.Menys defectes de material, efecte fotorefractiu més feble, més estabilitat
Inicialment, els moduladors LNOI sovint presentaven una deriva del punt de polarització, principalment a causa de l'acumulació de càrrega causada per defectes a la interfície de la guia d'ones. Si no es tracten, aquests dispositius podrien trigar fins a un dia a estabilitzar-se. Tanmateix, es van desenvolupar diversos mètodes per solucionar aquest problema, com ara l'ús de revestiment d'òxid metàl·lic, la polarització del substrat i el recuit, cosa que fa que aquest problema sigui en gran part manejable ara.
En canvi, l'LTOI té menys defectes de material, cosa que porta a una reducció significativa dels fenòmens de deriva. Fins i tot sense processament addicional, el seu punt de funcionament es manté relativament estable. L'EPFL, Harvard i la Universitat de Zhejiang han reportat resultats similars. Tanmateix, la comparació sovint utilitza moduladors de LNOI sense tractament, cosa que pot no ser del tot justa; amb el processament, el rendiment d'ambdós materials probablement és similar. La principal diferència rau en què l'LTOI requereix menys passos de processament addicionals.
2.Birefringència inferior: 0,004 vs 0,07
L'alta birefringència del niobat de liti (LNOI) pot ser un repte a vegades, sobretot perquè les corbes de la guia d'ones poden causar acoblament de modes i hibridació de modes. En LNOI prim, una corba a la guia d'ones pot convertir parcialment la llum TE en llum TM, cosa que complica la fabricació de certs dispositius passius, com ara els filtres.
Amb LTOI, la menor birefringència elimina aquest problema, cosa que podria facilitar el desenvolupament de dispositius passius d'alt rendiment. L'EPFL també ha informat de resultats notables, aprofitant la baixa birefringència de LTOI i l'absència de creuament de modes per aconseguir la generació de pinta de freqüència electroòptica d'espectre ultraampli amb un control de dispersió pla en un ampli rang espectral. Això va resultar en un impressionant ample de banda de pinta de 450 nm amb més de 2000 línies de pinta, diverses vegades més gran que el que es pot aconseguir amb niobat de liti. En comparació amb les pintes de freqüència òptica de Kerr, les pintes electroòptiques ofereixen l'avantatge de no tenir llindar i ser més estables, tot i que requereixen una entrada de microones d'alta potència.
3Llindar de dany òptic més alt
El llindar de dany òptic de l'LTOI és el doble que el de l'LNOI, cosa que ofereix un avantatge en aplicacions no lineals (i potencialment futures aplicacions d'Absorció Perfecta Coherent (CPO)). És poc probable que els nivells de potència actuals del mòdul òptic danyin el niobat de liti.
④Efecte Raman baix
Això també s'aplica a aplicacions no lineals. El niobat de liti té un fort efecte Raman, que en aplicacions de pinta de freqüència òptica de Kerr pot conduir a una generació de llum Raman no desitjada i a una competència de guany, impedint que les pintes de freqüència òptica de niobat de liti de tall x arribin a l'estat de soliton. Amb LTOI, l'efecte Raman es pot suprimir mitjançant el disseny d'orientació del cristall, permetent que l'LTOI de tall x aconsegueixi la generació de pinta de freqüència òptica de soliton. Això permet la integració monolítica de pintes de freqüència òptica de soliton amb moduladors d'alta velocitat, una gesta que no es pot aconseguir amb LNOI.
◆ Per què no s'ha esmentat abans el tantalat de liti de pel·lícula fina (LTOI)?
El tantalat de liti té una temperatura de Curie més baixa que el niobat de liti (610 °C enfront de 1157 °C). Abans del desenvolupament de la tecnologia d'heterointegració (XOI), els moduladors de niobat de liti es fabricaven mitjançant difusió de titani, que requereix un recuit a més de 1000 °C, cosa que fa que l'LTOI no sigui adequat. Tanmateix, amb el canvi actual cap a l'ús de substrats aïllants i el gravat de guies d'ones per a la formació de moduladors, una temperatura de Curie de 610 °C és més que suficient.
◆ El tantalat de liti de pel·lícula fina (LTOI) substituirà el niobat de liti de pel·lícula fina (TFLN)?
Segons la recerca actual, l'LTOI ofereix avantatges en rendiment passiu, estabilitat i cost de producció a gran escala, sense inconvenients aparents. Tanmateix, l'LTOI no supera el niobat de liti en rendiment de modulació, i els problemes d'estabilitat amb l'LNOI tenen solucions conegudes. Per als mòduls DR de comunicació, hi ha una demanda mínima de components passius (i es podria utilitzar nitrur de silici si cal). A més, calen noves inversions per restablir els processos de gravat a nivell d'oblia, les tècniques d'heterointegració i les proves de fiabilitat (la dificultat amb el gravat de niobat de liti no era la guia d'ones, sinó aconseguir un gravat a nivell d'oblia d'alt rendiment). Per tant, per competir amb la posició establerta del niobat de liti, l'LTOI potser haurà de descobrir més avantatges. Acadèmicament, però, l'LTOI ofereix un potencial de recerca significatiu per a sistemes integrats en un xip, com ara pintes electroòptiques d'expansió d'octaves, PPLT, dispositius de divisió de longitud d'ona de solitons i AWG, i moduladors de matriu.
Data de publicació: 08 de novembre de 2024