Tantlat de liti de pel·lícula fina (LTOI): el següent material estrella per a moduladors d'alta velocitat?

El material de tantalat de liti de pel·lícula prima (LTOI) està emergint com una nova força important en el camp de l'òptica integrada. Aquest any, s'han publicat diversos treballs d'alt nivell sobre moduladors LTOI, amb hòsties 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'ona d'alta qualitat desenvolupats pel grup del professor Kippenberg a l'EPFL. , Suïssa. Els seus esforços col·laboratius han mostrat resultats impressionants. A més, els 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 prima (LNOI), LTOI conserva les característiques de modulació d'alta velocitat i baixes pèrdues del niobat de liti alhora que ofereix avantatges com ara un baix cost, una baixa birrefringència i efectes fotorefractius reduïts. A continuació es presenta una comparació de les característiques principals dels dos materials.

微信图片_20241106164015

◆ Similituds entre tantalat de liti (LTOI) i niòbat de liti (LNOI)
Índex de refracció:2.12 vs 2.21
Això implica que les dimensions de la guia d'ona monomode, el radi de flexió 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 guia d'ona, ambdós materials poden aconseguir una pèrdua d'inserció<0,1 dB/cm. L'EPFL informa d'una pèrdua de guia d'ones de 5,6 dB/m.

Coeficient electro-òptic:30.5 pm/V vs 30.9 pm/V
L'eficiència de modulació és comparable per ambdós materials, amb una modulació basada en l'efecte Pockels, que permet un gran ample de banda. Actualment, els moduladors LTOI són capaços d'aconseguir un rendiment de 400G per carril, amb una amplada de banda superior a 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Bandgap:3,93 eV vs 3,78 eV
Tots dos materials tenen una àmplia finestra transparent, que admet aplicacions des de longituds d'ona visibles a infrarojes, sense absorció a les bandes de comunicació.

Coeficient no lineal de segon ordre (d33):21 h/V vs 27 h/V
Si s'utilitza per a aplicacions no lineals com ara la generació de segon harmònic (SHG), la generació de freqüència de diferència (DFG) o la generació de freqüència suma (SFG), les eficiències de conversió dels dos materials haurien de ser força similars.

◆ Avantatge de cost de LTOI vs LNOI
Menor cost de preparació d'hòsties
LNOI requereix la implantació d'ions He per a la separació de capes, que té una baixa eficiència d'ionització. En canvi, LTOI utilitza la implantació d'ions H per a la separació, similar a SOI, amb una eficiència de delaminació més de 10 vegades superior a la LNOI. Això es tradueix en una diferència de preu significativa per a les hòsties de 6 polzades: 300 dòlars enfront de 2.000 dòlars, una reducció de costos del 85%.

微信图片_20241106165545

Ja s'utilitza àmpliament al mercat de l'electrònica de consum per als filtres acústics(750.000 unitats anuals, utilitzades per Samsung, Apple, Sony, etc.).

微信图片_20241106165539

◆ Avantatges de rendiment de LTOI vs LNOI
Menys defectes de material, efecte fotorefractiu més feble, més estabilitat
Inicialment, els moduladors LNOI sovint presentaven una deriva del punt de biaix, principalment a causa de l'acumulació de càrrega causada per defectes a la interfície de la guia d'ona. Si no es tracten, aquests dispositius podrien trigar fins a un dia a estabilitzar-se. Tanmateix, es van desenvolupar diversos mètodes per abordar aquest problema, com ara l'ús de revestiment d'òxid metàl·lic, la polarització del substrat i el recuit, fent que aquest problema es pugui gestionar en gran mesura ara.
En canvi, el LTOI té menys defectes materials, la qual cosa condueix a fenòmens de deriva significativament reduïts. Fins i tot sense processament addicional, el seu punt de funcionament es manté relativament estable. S'han informat resultats similars per l'EPFL, Harvard i la Universitat de Zhejiang. Tanmateix, la comparació sovint utilitza moduladors LNOI no tractats, que potser no són del tot justos; amb el processament, el rendiment dels dos materials és probable que sigui similar. La diferència principal rau en que LTOI requereix menys passos de processament addicionals.

微信图片_20241106165708

Birrefringència inferior: 0,004 vs 0,07
L'elevada birrefringència del niòbat de liti (LNOI) pot ser un repte de vegades, sobretot perquè les corbes de la guia d'ona poden provocar l'acoblament de modes i la hibridació de modes. En LNOI prim, una corba de la guia d'ones pot convertir parcialment la llum TE en llum TM, cosa que complica la fabricació de certs dispositius passius, com ara filtres.
Amb LTOI, la birrefringència més baixa elimina aquest problema, fent possible que sigui més fàcil desenvolupar dispositius passius d'alt rendiment. L'EPFL també ha informat de resultats notables, aprofitant la baixa birrefringència de LTOI i l'absència d'encreuament de modes per aconseguir una generació de pentinat de freqüència electro-òptica d'espectre ultra ampli amb un control de dispersió pla en un ampli rang espectral. Això va donar lloc a un impressionant ample de banda de pentinat de 450 nm amb més de 2000 línies de pinta, diverses vegades més gran que el que es pot aconseguir amb el niobat de liti. En comparació amb les pintes de freqüència òptica de Kerr, les pintes electroòptiques ofereixen l'avantatge de ser lliures de llindars i més estables, tot i que requereixen una entrada de microones d'alta potència.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Llindar de dany òptic més alt
El llindar de dany òptic de LTOI és el doble que el de LNOI, oferint 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.
Baix efecte Raman
Això també es refereix a aplicacions no lineals. El niobat de liti té un fort efecte Raman, que a les aplicacions de pintes de freqüència òptica Kerr pot provocar una generació de llum Raman no desitjada i guanyar competència, evitant que les pintes de freqüència òptica de niobat de liti tallats en x arribin a l'estat solitó. Amb LTOI, l'efecte Raman es pot suprimir mitjançant el disseny d'orientació del cristall, permetent que el LTOI tallat en x aconsegueixi la generació de pentinats de freqüència òptica de solitons. Això permet la integració monolítica de pintes de freqüència òptica soliton amb moduladors d'alta velocitat, una proesa no assolible amb LNOI.
◆ Per què no es va esmentar el tantalat de liti de pel·lícula fina (LTOI) abans?
El tantalat de liti té una temperatura de Curie més baixa que el niobat de liti (610 °C vs. 1157 °C). Abans del desenvolupament de la tecnologia d'heterointegració (XOI), els moduladors de niobat de liti es fabricaven mitjançant la difusió de titani, que requereix un recuit a més de 1000 ° C, fent que LTOI no sigui adequat. Tanmateix, amb el canvi actual cap a l'ús de substrats aïllants i gravat de guies d'ona per a la formació de moduladors, una temperatura de Curie de 610 °C és més que suficient.
◆ El tantalat de liti de pel·lícula prima (LTOI) substituirà el niòbat de liti de pel·lícula prima (TFLN)?
Basant-se en la investigació actual, LTOI ofereix avantatges en rendiment passiu, estabilitat i cost de producció a gran escala, sense inconvenients aparents. Tanmateix, el LTOI no supera el niobat de liti en el rendiment de la modulació i els problemes d'estabilitat amb 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, es requereixen noves inversions per restablir els processos de gravat a nivell d'hòsties, les tècniques d'heterointegració i les proves de fiabilitat (la dificultat amb el gravat de niòbat de liti no era la guia d'ona sinó aconseguir un gravat a nivell d'hòstia d'alt rendiment). Per tant, per competir amb la posició establerta del niòbat de liti, és possible que LTOI hagi de descobrir més avantatges. Acadèmicament, però, LTOI ofereix un potencial de recerca important per a sistemes integrats en xip, com ara pintes electroòptiques d'octava, dispositius de divisió de longitud d'ona PPLT, solitons i AWG i moduladors de matriu.


Hora de publicació: 08-nov-2024