Tantalato di litio a film sottile (LTOI): il materiale della prossima stella per i modulatori ad alta velocità?

Il materiale a film sottile di tantalato di litio (LTOI) sta emergendo come una nuova forza significativa nel campo dell'ottica integrata. Quest'anno sono stati pubblicati numerosi lavori di alto livello sui modulatori LTOI, con wafer LTOI di alta qualità forniti dal professor Xin Ou dell'Istituto di microsistemi e tecnologia dell'informazione di Shanghai e processi di incisione della guida d'onda di alta qualità sviluppati dal gruppo del professor Kippenberg all'EPFL , Svizzera. I loro sforzi di collaborazione hanno mostrato risultati impressionanti. Inoltre, anche i gruppi di ricerca dell’Università di Zhejiang guidati dal professor Liu Liu e dell’Università di Harvard guidati dal professor Loncar hanno riferito di modulatori LTOI ad alta velocità e alta stabilità.

Essendo un parente stretto del niobato di litio a film sottile (LNOI), LTOI mantiene la modulazione ad alta velocità e le caratteristiche di bassa perdita del niobato di litio, offrendo allo stesso tempo vantaggi come basso costo, bassa birifrangenza e effetti fotorifrattivi ridotti. Di seguito viene presentato un confronto tra le principali caratteristiche dei due materiali.

微信图片_20241106164015

◆ Somiglianze tra il tantalato di litio (LTOI) e il niobato di litio (LNOI)
Indice di rifrazione:2.12 contro 2.21
Ciò implica che le dimensioni della guida d’onda monomodale, il raggio di curvatura e le dimensioni comuni dei dispositivi passivi basati su entrambi i materiali sono molto simili e anche le loro prestazioni di accoppiamento delle fibre sono comparabili. Con una buona incisione della guida d'onda, entrambi i materiali possono raggiungere una perdita di inserzione di<0,1 dB/cm. L'EPFL riporta una perdita nella guida d'onda di 5,6 dB/m.

Coefficiente elettro-ottico:30:5/V contro 30:9/V
L'efficienza di modulazione è paragonabile per entrambi i materiali, con modulazione basata sull'effetto Pockels, che consente un'elevata larghezza di banda. Attualmente, i modulatori LTOI sono in grado di raggiungere prestazioni di 400G per corsia, con una larghezza di banda superiore a 110 GHz.

微信图片_20241106164942
微信图片_20241106165200

Banda proibita:3,93 eV contro 3,78 eV
Entrambi i materiali hanno un'ampia finestra trasparente, che supporta applicazioni dalle lunghezze d'onda visibili a quelle infrarosse, senza assorbimento nelle bande di comunicazione.

Coefficiente non lineare del secondo ordine (d33):21:00/V contro 27:00/V
Se utilizzati per applicazioni non lineari come la generazione della seconda armonica (SHG), la generazione della differenza di frequenza (DFG) o la generazione della somma della frequenza (SFG), le efficienze di conversione dei due materiali dovrebbero essere abbastanza simili.

◆ Vantaggio in termini di costi di LTOI rispetto a LNOI
Riduzione dei costi di preparazione dei wafer
L'LNOI richiede l'impianto di ioni He per la separazione degli strati, che ha una bassa efficienza di ionizzazione. Al contrario, LTOI utilizza l'impianto di ioni H per la separazione, simile al SOI, con un'efficienza di delaminazione oltre 10 volte superiore a LNOI. Ciò si traduce in una differenza di prezzo significativa per i wafer da 6 pollici: $ 300 contro $ 2000, una riduzione dei costi dell'85%.

微信图片_20241106165545

È già ampiamente utilizzato nel mercato dell'elettronica di consumo per i filtri acustici(750.000 unità all'anno, utilizzate da Samsung, Apple, Sony, ecc.).

微信图片_20241106165539

◆ Vantaggi prestazionali di LTOI rispetto a LNOI
Meno difetti del materiale, effetto fotorifrattivo più debole, maggiore stabilità
Inizialmente, i modulatori LNOI mostravano spesso una deriva del punto di polarizzazione, principalmente a causa dell'accumulo di carica causato da difetti sull'interfaccia della guida d'onda. Se non trattati, questi dispositivi potrebbero richiedere fino a un giorno per stabilizzarsi. Tuttavia, sono stati sviluppati vari metodi per affrontare questo problema, come l’utilizzo del rivestimento di ossido di metallo, la polarizzazione del substrato e la ricottura, rendendo questo problema ampiamente gestibile ora.
Al contrario, LTOI presenta meno difetti materiali, portando a fenomeni di deriva significativamente ridotti. Anche senza ulteriore elaborazione, il suo punto operativo rimane relativamente stabile. Risultati simili sono stati riportati dall’EPFL, da Harvard e dall’Università di Zhejiang. Tuttavia, il confronto utilizza spesso modulatori LNOI non trattati, il che potrebbe non essere del tutto corretto; con la lavorazione, le prestazioni di entrambi i materiali sono probabilmente simili. La differenza principale risiede nel fatto che LTOI richiede meno passaggi di elaborazione aggiuntivi.

微信图片_20241106165708

Birifrangenza inferiore: 0,004 contro 0,07
L'elevata birifrangenza del niobato di litio (LNOI) può essere problematica a volte, soprattutto perché le curve della guida d'onda possono causare accoppiamento e ibridazione tra modalità. Negli LNOI sottili, una curva nella guida d'onda può convertire parzialmente la luce TE in luce TM, complicando la fabbricazione di alcuni dispositivi passivi, come i filtri.
Con LTOI, la minore birifrangenza elimina questo problema, rendendo potenzialmente più semplice lo sviluppo di dispositivi passivi ad alte prestazioni. L'EPFL ha anche riportato risultati notevoli, sfruttando la bassa birifrangenza dell'LTOI e l'assenza di incrocio di modi per ottenere una generazione di pettini di frequenza elettro-ottici ad ampio spettro con controllo di dispersione piatto su un'ampia gamma spettrale. Ciò ha prodotto un’impressionante larghezza di banda del pettine di 450 nm con oltre 2000 linee del pettine, molte volte più grandi di quelle che possono essere ottenute con il niobato di litio. Rispetto ai pettini di frequenza ottica Kerr, i pettini elettro-ottici offrono il vantaggio di essere privi di soglia e più stabili, sebbene richiedano un ingresso di microonde ad alta potenza.

微信图片_20241106165804
微信图片_20241106165823

Soglia di danno ottico più elevata
La soglia del danno ottico di LTOI è doppia rispetto a quella di LNOI, offrendo un vantaggio nelle applicazioni non lineari (e potenzialmente future applicazioni Coherent Perfect Absorption (CPO)). È improbabile che gli attuali livelli di potenza del modulo ottico danneggino il niobato di litio.
Basso effetto Raman
Ciò riguarda anche le applicazioni non lineari. Il niobato di litio ha un forte effetto Raman, che nelle applicazioni di pettini di frequenza ottica Kerr può portare alla generazione di luce Raman indesiderata e guadagnare concorrenza, impedendo ai pettini di frequenza ottica di niobato di litio x-cut di raggiungere lo stato solitonico. Con LTOI, l'effetto Raman può essere soppresso attraverso la progettazione dell'orientamento del cristallo, consentendo all'LTOI x-cut di ottenere la generazione di pettini di frequenza ottica solitonici. Ciò consente l'integrazione monolitica di pettini di frequenza ottici solitonici con modulatori ad alta velocità, un'impresa non realizzabile con LNOI.
◆ Perché non è stato menzionato prima il tantalato di litio a film sottile (LTOI)?
Il tantalato di litio ha una temperatura di Curie inferiore rispetto al niobato di litio (610°C contro 1157°C). Prima dello sviluppo della tecnologia di eterointegrazione (XOI), i modulatori di niobato di litio venivano prodotti utilizzando la diffusione del titanio, che richiede una ricottura a oltre 1000°C, rendendo la LTOI inadatta. Tuttavia, con l'attuale tendenza verso l'utilizzo di substrati isolanti e l'attacco della guida d'onda per la formazione del modulatore, una temperatura Curie di 610°C è più che sufficiente.
◆ Il tantalato di litio a film sottile (LTOI) sostituirà il niobato di litio a film sottile (TFLN)?
Sulla base della ricerca attuale, LTOI offre vantaggi in termini di prestazioni passive, stabilità e costi di produzione su larga scala, senza inconvenienti apparenti. Tuttavia, LTOI non supera il niobato di litio nelle prestazioni di modulazione e i problemi di stabilità con LNOI hanno soluzioni note. Per i moduli DR di comunicazione, la richiesta di componenti passivi è minima (e, se necessario, potrebbe essere utilizzato il nitruro di silicio). Inoltre, sono necessari nuovi investimenti per ristabilire i processi di incisione a livello di wafer, le tecniche di eterointegrazione e i test di affidabilità (la difficoltà con l’incisione con niobato di litio non era la guida d’onda ma il raggiungimento di un’incisione a livello di wafer ad alto rendimento). Pertanto, per competere con la posizione consolidata del niobato di litio, LTOI potrebbe dover scoprire ulteriori vantaggi. Dal punto di vista accademico, tuttavia, LTOI offre un potenziale di ricerca significativo per sistemi integrati su chip, come pettini elettro-ottici che si estendono su un'ottava, PPLT, dispositivi di divisione della lunghezza d'onda solitoni e AWG e modulatori di array.


Orario di pubblicazione: 08 novembre 2024