O material de tantalato de lítio de película fina (LTOI) está emergindo como uma nova força significativa no campo da óptica integrada. Este ano, vários trabalhos de alto nível sobre moduladores LTOI foram publicados, com wafers LTOI de alta qualidade fornecidos pelo Professor Xin Ou do Instituto de Microssistemas e Tecnologia da Informação de Xangai, e processos de gravação de guia de ondas de alta qualidade desenvolvidos pelo grupo do Professor Kippenberg na EPFL. , Suíça. Seus esforços colaborativos apresentaram resultados impressionantes. Além disso, equipes de pesquisa da Universidade de Zhejiang liderada pelo professor Liu Liu e da Universidade de Harvard liderada pelo professor Loncar também relataram moduladores LTOI de alta velocidade e alta estabilidade.
Como um parente próximo do niobato de lítio de película fina (LNOI), o LTOI mantém a modulação de alta velocidade e as características de baixa perda do niobato de lítio, ao mesmo tempo que oferece vantagens como baixo custo, baixa birrefringência e efeitos fotorrefrativos reduzidos. Uma comparação das principais características dos dois materiais é apresentada a seguir.
◆ Semelhanças entre Tantalato de Lítio (LTOI) e Niobato de Lítio (LNOI)
①Índice de refração:2,12 versus 2,21
Isto implica que as dimensões do guia de ondas monomodo, o raio de curvatura e os tamanhos comuns dos dispositivos passivos baseados em ambos os materiais são muito semelhantes, e seu desempenho de acoplamento de fibra também é comparável. Com uma boa gravação do guia de ondas, ambos os materiais podem atingir uma perda de inserção de<0,1dB/cm. EPFL relata uma perda de guia de onda de 5,6 dB/m.
②Coeficiente eletro-óptico:30,5h/V vs 30,9h/V
A eficiência da modulação é comparável para ambos os materiais, com modulação baseada no efeito Pockels, permitindo alta largura de banda. Atualmente, os moduladores LTOI são capazes de atingir desempenho de 400G por pista, com largura de banda superior a 110 GHz.
③Intervalo de banda:3,93 eV versus 3,78 eV
Ambos os materiais possuem uma ampla janela transparente, suportando aplicações desde comprimentos de onda visíveis até infravermelhos, sem absorção nas bandas de comunicação.
④Coeficiente Não Linear de Segunda Ordem (d33):21h/V vs 27h/V
Se usado para aplicações não lineares, como geração de segundo harmônico (SHG), geração de frequência diferente (DFG) ou geração de soma de frequência (SFG), as eficiências de conversão dos dois materiais devem ser bastante semelhantes.
◆ Vantagem de custo do LTOI versus LNOI
①Menor custo de preparação de wafer
LNOI requer implantação de íons He para separação de camadas, que possui baixa eficiência de ionização. Em contraste, o LTOI utiliza a implantação de íons H para separação, semelhante ao SOI, com uma eficiência de delaminação 10 vezes maior que o LNOI. Isso resulta em uma diferença de preço significativa para wafers de 6 polegadas: US$ 300 versus US$ 2.000, uma redução de custos de 85%.
②Já é amplamente utilizado no mercado de eletrônicos de consumo para filtros acústicos(750.000 unidades anuais, utilizadas pela Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Vantagens de desempenho de LTOI versus LNOI
①Menos defeitos materiais, efeito fotorrefrativo mais fraco, mais estabilidade
Inicialmente, os moduladores LNOI frequentemente exibiam desvio do ponto de polarização, principalmente devido ao acúmulo de carga causado por defeitos na interface do guia de ondas. Se não forem tratados, esses dispositivos podem levar até um dia para se estabilizarem. No entanto, vários métodos foram desenvolvidos para resolver este problema, tais como o uso de revestimento de óxido metálico, polarização de substrato e recozimento, tornando este problema amplamente administrável agora.
Em contraste, o LTOI tem menos defeitos de material, levando a fenômenos de deriva significativamente reduzidos. Mesmo sem processamento adicional, o seu ponto de funcionamento permanece relativamente estável. Resultados semelhantes foram relatados pela EPFL, Harvard e Universidade de Zhejiang. No entanto, a comparação utiliza frequentemente moduladores LNOI não tratados, o que pode não ser totalmente justo; com o processamento, o desempenho de ambos os materiais é provavelmente semelhante. A principal diferença reside no fato de o LTOI exigir menos etapas de processamento adicionais.
②Birrefringência inferior: 0,004 vs 0,07
A alta birrefringência do niobato de lítio (LNOI) pode ser um desafio às vezes, especialmente porque as curvas do guia de ondas podem causar acoplamento e hibridização de modos. No LNOI fino, uma curvatura no guia de ondas pode converter parcialmente a luz TE em luz TM, complicando a fabricação de certos dispositivos passivos, como filtros.
Com o LTOI, a menor birrefringência elimina esse problema, facilitando potencialmente o desenvolvimento de dispositivos passivos de alto desempenho. A EPFL também relatou resultados notáveis, aproveitando a baixa birrefringência do LTOI e a ausência de cruzamento de modo para obter geração de pente de frequência eletro-óptica de espectro ultra-amplo com controle de dispersão plana em uma ampla faixa espectral. Isso resultou em uma impressionante largura de banda de pente de 450 nm com mais de 2.000 linhas de pente, várias vezes maior do que o que pode ser alcançado com niobato de lítio. Comparados aos pentes de frequência óptica Kerr, os pentes eletro-ópticos oferecem a vantagem de não terem limites e serem mais estáveis, embora exijam uma entrada de micro-ondas de alta potência.
③Maior limite de dano óptico
O limite de dano óptico do LTOI é o dobro do LNOI, oferecendo uma vantagem em aplicações não lineares (e potencialmente futuras aplicações de Absorção Perfeita Coerente (CPO)). É improvável que os atuais níveis de potência do módulo óptico danifiquem o niobato de lítio.
④Efeito Raman Baixo
Isso também se aplica a aplicações não lineares. O niobato de lítio tem um forte efeito Raman, que em aplicações de pente de frequência óptica Kerr pode levar à geração indesejada de luz Raman e ganhar competição, evitando que os pentes de frequência óptica de niobato de lítio x-cut atinjam o estado soliton. Com o LTOI, o efeito Raman pode ser suprimido por meio do design de orientação do cristal, permitindo que o LTOI x-cut alcance a geração de pente de frequência óptica soliton. Isso permite a integração monolítica de pentes de frequência óptica soliton com moduladores de alta velocidade, um feito não alcançável com LNOI.
◆ Por que o Tantalato de Lítio de Película Fina (LTOI) não foi mencionado anteriormente?
O tantalato de lítio tem uma temperatura Curie mais baixa que o niobato de lítio (610°C vs. 1157°C). Antes do desenvolvimento da tecnologia de heterointegração (XOI), os moduladores de niobato de lítio eram fabricados utilizando difusão de titânio, o que requer recozimento a mais de 1000°C, tornando o LTOI inadequado. No entanto, com a mudança atual em direção ao uso de substratos isolantes e gravação de guias de onda para a formação de moduladores, uma temperatura Curie de 610°C é mais que suficiente.
◆ O Tantalato de Lítio de Película Fina (LTOI) substituirá o Niobato de Lítio de Película Fina (TFLN)?
Com base em pesquisas atuais, o LTOI oferece vantagens em desempenho passivo, estabilidade e custo de produção em larga escala, sem desvantagens aparentes. No entanto, o LTOI não supera o niobato de lítio no desempenho de modulação, e os problemas de estabilidade com o LNOI têm soluções conhecidas. Para módulos de comunicação DR, há uma demanda mínima por componentes passivos (e nitreto de silício poderia ser usado, se necessário). Além disso, novos investimentos são necessários para restabelecer processos de gravação em nível de wafer, técnicas de heterointegração e testes de confiabilidade (a dificuldade com a gravação com niobato de lítio não era o guia de ondas, mas conseguir a gravação em nível de wafer de alto rendimento). Portanto, para competir com a posição estabelecida do niobato de lítio, o LTOI pode precisar descobrir vantagens adicionais. Academicamente, no entanto, o LTOI oferece um potencial de pesquisa significativo para sistemas integrados no chip, como pentes eletro-ópticos de oitava, dispositivos de divisão de comprimento de onda PPLT, soliton e AWG e moduladores de matriz.
Horário da postagem: 08 de novembro de 2024