O material de 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 de LTOI foram publicados, com wafers de 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 demonstraram 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 de LTOI de alta velocidade e alta estabilidade.
Por ser um parente próximo do niobato de lítio em filme fino (LNOI), o LTOI mantém as características de modulação de alta velocidade e baixa perda do niobato de lítio, oferecendo também vantagens como baixo custo, baixa birrefringência e efeitos fotorrefrativos reduzidos. Uma comparação das principais características dos dois materiais é apresentada a seguir.
◆ Semelhanças entre o tantalato de lítio (LTOI) e o 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 dos dispositivos passivos baseados em ambos os materiais são muito semelhantes, e seu desempenho de acoplamento à 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 reporta uma perda de guia de ondas de 5,6 dB/m.
②Coeficiente eletro-óptico:15h30/V vs 15h30/V
A eficiência de modulação é comparável para ambos os materiais, com a modulação baseada no efeito Pockels, permitindo alta largura de banda. Atualmente, os moduladores LTOI são capazes de atingir um desempenho de 400G por canal, com uma largura de banda superior a 110 GHz.
③Lacuna de banda:3,93 eV vs 3,78 eV
Ambos os materiais possuem uma ampla janela de transparência, permitindo 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 forem utilizados em aplicações não lineares, como geração de segundo harmônico (SHG), geração de frequência de diferença (DFG) ou geração de frequência de soma (SFG), as eficiências de conversão dos dois materiais devem ser bastante semelhantes.
◆ Vantagem de custo do LTOI em comparação com o LNOI
①Redução do custo de preparação do wafer
A tecnologia LNOI requer implantação de íons de hélio para a separação das camadas, o que resulta em baixa eficiência de ionização. Em contraste, a tecnologia LTOI utiliza implantação de íons de hidrogênio para a separação, similar à SOI, com uma eficiência de delaminação mais de 10 vezes superior à da LNOI. Isso resulta em uma diferença de preço significativa 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, utilizadas pela Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Vantagens de desempenho do LTOI em comparação com o LNOI
①Menos defeitos no material, efeito fotorrefrativo mais fraco, maior estabilidade.
Inicialmente, os moduladores LNOI frequentemente apresentavam deriva do ponto de polarização, principalmente devido ao acúmulo de carga causado por defeitos na interface do guia de ondas. Se não tratados, esses dispositivos podiam levar até um dia para estabilizar. No entanto, vários métodos foram desenvolvidos para solucionar esse problema, como o uso de revestimento de óxido metálico, polarização do substrato e recozimento, tornando-o atualmente em grande parte gerenciável.
Em contraste, o LTOI apresenta menos defeitos materiais, resultando em uma redução significativa dos fenômenos de deriva. Mesmo sem processamento adicional, seu ponto de operação permanece relativamente estável. Resultados semelhantes foram relatados pela EPFL, Harvard e 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 provavelmente se torna similar. 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 em alguns casos, especialmente porque as curvas do guia de ondas podem causar acoplamento e hibridização de modos. Em LNOI fino, uma curva 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, potencialmente facilitando 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 alcançar a geração de pentes de frequência eletro-ópticos de espectro ultralargo com controle de dispersão plana em uma ampla faixa espectral. Isso resultou em uma impressionante largura de banda de 450 nm com mais de 2000 linhas, várias vezes maior do que a obtida com niobato de lítio. Comparados aos pentes de frequência ópticos de Kerr, os pentes eletro-ópticos oferecem a vantagem de não apresentarem limiar e serem mais estáveis, embora exijam uma entrada de micro-ondas de alta potência.
③Limiar de dano óptico mais elevado
O limiar de dano óptico do LTOI é o dobro do do LNOI, oferecendo uma vantagem em aplicações não lineares (e potencialmente em futuras aplicações de Absorção Perfeita Coerente (CPO)). É improvável que os níveis de potência atuais dos módulos ópticos danifiquem o niobato de lítio.
④Baixo efeito Raman
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 Kerr, pode levar à geração indesejada de luz Raman e à competição de ganho, impedindo que os pentes de frequência óptica de niobato de lítio com corte no eixo x alcancem o estado de sóliton. Com o LTOI (niobato de lítio-niobato de lítio-niobato de lítio), o efeito Raman pode ser suprimido por meio do projeto de orientação cristalina, permitindo que o LTOI com corte no eixo x alcance a geração de pentes de frequência óptica de sóliton. Isso possibilita a integração monolítica de pentes de frequência óptica de sóliton com moduladores de alta velocidade, um feito inatingível com o LNOI.
◆ Por que o tantalato de lítio em película fina (LTOI) não foi mencionado anteriormente?
O tantalato de lítio possui uma temperatura de Curie inferior à do niobato de lítio (610 °C vs. 1157 °C). Antes do desenvolvimento da tecnologia de heterointegração (XOI), os moduladores de niobato de lítio eram fabricados por difusão de titânio, um processo que requer recozimento a temperaturas superiores a 1000 °C, tornando a LTOI inadequada. Contudo, com a atual tendência de utilização de substratos isolantes e gravação de guias de onda para a formação de moduladores, uma temperatura de Curie de 610 °C é mais do que suficiente.
◆ O tantalato de lítio em película fina (LTOI) substituirá o niobato de lítio em película fina (TFLN)?
Com base nas 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 os problemas de estabilidade do LNOI possuem soluções conhecidas. Para módulos de resposta dinâmica (DR) para comunicação, a demanda por componentes passivos é mínima (e o nitreto de silício poderia ser usado, se necessário). Além disso, novos investimentos são necessários para restabelecer os processos de gravação em nível de wafer, as técnicas de heterointegração e os testes de confiabilidade (a dificuldade com a gravação do niobato de lítio não era o guia de ondas, mas sim alcançar um alto rendimento de gravação em nível de wafer). Portanto, para competir com a posição consolidada do niobato de lítio, o LTOI pode precisar descobrir novas vantagens. Academicamente, porém, o LTOI oferece um potencial significativo de pesquisa para sistemas integrados em chip, como pentes eletro-ópticos de oitava, PPLT, dispositivos de divisão de comprimento de onda de sóliton e AWG e moduladores de matriz.
Data da publicação: 08/11/2024