O tantalato de lítio em película fina (LTOI) está emergindo como uma nova força significativa no campo da óptica integrada. Este ano, diversos 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 guias de onda 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, lideradas pelo Professor Liu Liu, e da Universidade de Harvard, lideradas pelo Professor Loncar, também relataram moduladores LTOI de alta velocidade e alta estabilidade.
Sendo um parente próximo do niobato de lítio de película fina (LNOI), o LTOI mantém as características de modulação de alta velocidade e baixa perda do niobato de lítio, além de oferecer 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 vs 2,21
Isso implica que as dimensões do guia de onda monomodo, o raio de curvatura e os tamanhos comuns de 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 onda, ambos os materiais podem atingir uma perda de inserção de<0,1 dB/cm. A EPFL relata uma perda de guia de onda de 5,6 dB/m.
2Coeficiente eletro-óptico:30,5 pm/V vs 30,9 pm/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 um desempenho de 400 G por faixa, com uma largura de banda superior a 110 GHz.
3Lacuna:3,93 eV vs 3,78 eV
Ambos os materiais têm uma ampla janela transparente, suportando aplicações em 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 usados para aplicações não lineares, como geração de segundo harmônico (SHG), geração de diferença de frequência (DFG) ou geração de soma de frequência (SFG), as eficiências de conversão dos dois materiais devem ser bastante semelhantes.
◆ Vantagem de custo de LTOI vs LNOI
①Menor custo de preparação de wafers
O LNOI requer implantação de íons de He para separação de camadas, o que apresenta baixa eficiência de ionização. Em contraste, o LTOI utiliza implantação de íons de H para separação, semelhante ao SOI, com uma eficiência de delaminação mais de 10 vezes superior à do LNOI. Isso resulta em uma diferença significativa de preço para wafers de 6 polegadas: US$ 300 contra US$ 2.000, uma redução de custo de 85%.
2Já é amplamente utilizado no mercado de eletrônicos de consumo para filtros acústicos(750.000 unidades anualmente, usadas pela Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Vantagens de desempenho de LTOI vs LNOI
①Menos defeitos de material, efeito fotorrefrativo mais fraco, mais estabilidade
Inicialmente, os moduladores LNOI frequentemente apresentavam desvio do ponto de polarização, principalmente devido ao acúmulo de carga causado por defeitos na interface do guia de ondas. Se não fossem tratados, esses dispositivos poderiam levar até um dia para se estabilizar. No entanto, vários métodos foram desenvolvidos para resolver esse problema, como o uso de revestimento de óxido metálico, polarização do substrato e recozimento, tornando-o amplamente administrável atualmente.
Em contraste, o LTOI apresenta menos defeitos de material, resultando em fenômenos de deriva significativamente reduzidos. Mesmo sem processamento adicional, seu ponto de operação permanece relativamente estável. Resultados semelhantes foram relatados pela EPFL, Harvard e pela Universidade de Zhejiang. No entanto, a comparação frequentemente utiliza moduladores LNOI sem tratamento, 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 desafiadora às vezes, especialmente porque as curvas do guia de onda podem causar acoplamento e hibridização de modos. Em LNOI fino, uma curva no guia de onda 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 modos para obter a geração de pentes de frequência eletro-óptica de espectro ultralargo 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 a alcançada com niobato de lítio. Comparados aos pentes de frequência óptica de Kerr, os pentes eletro-ópticos oferecem a vantagem de não apresentarem limiares e serem mais estáveis, embora exijam uma entrada de micro-ondas de alta potência.
3Limiar de dano óptico mais alto
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 níveis atuais de potência dos módulos ópticos danifiquem o niobato de lítio.
④Efeito Raman baixo
Isso também se aplica a aplicações não lineares. O niobato de lítio possui um forte efeito Raman, que em aplicações de pentes de frequência óptica de Kerr pode levar à geração indesejada de luz Raman e ganhar competição, impedindo que os pentes de frequência óptica de niobato de lítio de corte x atinjam o estado sóliton. Com o LTOI, o efeito Raman pode ser suprimido por meio do projeto de orientação do cristal, permitindo que o LTOI de corte x alcance a geração de pentes de frequência óptica sóliton. Isso permite a integração monolítica de pentes de frequência óptica sóliton com moduladores de alta velocidade, um feito não alcançável com o LNOI.
◆ Por que o tantalato de lítio de película fina (LTOI) não foi mencionado antes?
O tantalato de lítio tem uma temperatura de Curie mais baixa do 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 usando difusão de titânio, o que requer recozimento a mais de 1000 °C, tornando o LTOI inadequado. No entanto, com a mudança atual para o uso de substratos isolantes e gravação por guia de onda para a formação do modulador, uma temperatura de Curie de 610 °C é mais do 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 em desempenho de modulação, e 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 pode ser usado, se necessário). Além disso, novos investimentos são necessários para restabelecer os processos de gravação em nível de wafer, técnicas de heterointegração e testes de confiabilidade (a dificuldade com a gravação em nível de wafer com niobato de lítio não era o guia de onda, mas sim a obtenção de gravação em nível de wafer de alto rendimento). Portanto, para competir com a posição consolidada do niobato de lítio, o LTOI pode precisar descobrir mais vantagens. Academicamente, no entanto, o LTOI oferece um potencial de pesquisa significativo para sistemas integrados em chip, como pentes eletro-ópticos de oitava, PPLT, dispositivos de divisão de comprimento de onda soliton e AWG e moduladores de matriz.
Horário da postagem: 08/11/2024