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 diversi lavori di alto livello sui modulatori LTOI, con wafer LTOI di alta qualità forniti dal Professor Xin Ou dello Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology e processi di incisione di guide d'onda di alta qualità sviluppati dal gruppo del Professor Kippenberg presso l'EPFL, in Svizzera. La loro collaborazione ha prodotto risultati impressionanti. Inoltre, i team di ricerca dell'Università di Zhejiang, guidati dal Professor Liu Liu, e dell'Università di Harvard, guidati dal Professor Loncar, hanno anch'essi presentato modulatori LTOI ad alta velocità e alta stabilità.
Essendo un parente stretto del niobato di litio a film sottile (LNOI), l'LTOI mantiene le caratteristiche di modulazione ad alta velocità e basse perdite del niobato di litio, offrendo al contempo vantaggi quali basso costo, bassa birifrangenza e ridotti effetti fotorifrattivi. Di seguito viene presentato un confronto tra le principali caratteristiche dei due materiali.
◆ Somiglianze tra il tantalato di litio (LTOI) e il niobato di litio (LNOI)
①Indice 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 segnala una perdita della guida d'onda di 5,6 dB/m.
②Coefficiente elettro-ottico:30,5 pm/V contro 30,9 pm/V
L'efficienza di modulazione è comparabile per entrambi i materiali, con una modulazione basata sull'effetto Pockels, che consente un'elevata larghezza di banda. Attualmente, i modulatori LTOI sono in grado di raggiungere prestazioni di 400 GHz per corsia, con una larghezza di banda superiore a 110 GHz.
3.Banda proibita:3,93 eV contro 3,78 eV
Entrambi i materiali presentano un'ampia finestra trasparente, che supporta applicazioni che vanno dal visibile all'infrarosso, senza assorbimento nelle bande di comunicazione.
④Coefficiente non lineare di secondo ordine (d33):21 pm/V contro 27 pm/V
Se utilizzati per applicazioni non lineari quali la generazione della seconda armonica (SHG), la generazione della differenza di frequenza (DFG) o la generazione della somma di frequenze (SFG), l'efficienza di conversione dei due materiali dovrebbe essere piuttosto simile.
◆ Vantaggio di costo di LTOI rispetto a LNOI
①Costi di preparazione dei wafer inferiori
LNOI richiede l'impianto di ioni He per la separazione degli strati, che presenta una bassa efficienza di ionizzazione. Al contrario, LTOI utilizza l'impianto di ioni H per la separazione, simile a SOI, con un'efficienza di delaminazione oltre 10 volte superiore a quella di LNOI. Ciò si traduce in una significativa differenza di prezzo per i wafer da 6 pollici: 300 dollari contro 2000 dollari, con una riduzione dei costi dell'85%.
②È già ampiamente utilizzato nel mercato dell'elettronica di consumo per i filtri acustici(750.000 unità all'anno, utilizzate da Samsung, Apple, Sony, ecc.).
◆ Vantaggi prestazionali di LTOI rispetto a LNOI
①Minori difetti nei materiali, effetto fotorefrattivo più debole, maggiore stabilità
Inizialmente, i modulatori LNOI presentavano spesso una deriva del punto di polarizzazione, dovuta principalmente all'accumulo di carica causato da difetti all'interfaccia della guida d'onda. Se non trattati, questi dispositivi potevano impiegare fino a un giorno per stabilizzarsi. Tuttavia, sono stati sviluppati diversi metodi per affrontare questo problema, come l'utilizzo di rivestimenti in ossido metallico, la polarizzazione del substrato e la ricottura, rendendolo ora ampiamente gestibile.
Al contrario, l'LTOI presenta meno difetti nei materiali, il che porta a fenomeni di deriva significativamente ridotti. Anche senza ulteriore lavorazione, 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 l'LTOI richiede meno fasi di lavorazione aggiuntive.
②Birifrangenza inferiore: 0,004 vs 0,07
L'elevata birifrangenza del niobato di litio (LNOI) può talvolta rappresentare una sfida, soprattutto perché le curvature della guida d'onda possono causare accoppiamento e ibridazione modale. Negli LNOI sottili, una curvatura 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, facilitando potenzialmente lo sviluppo di dispositivi passivi ad alte prestazioni. Anche l'EPFL ha riportato risultati notevoli, sfruttando la bassa birifrangenza e l'assenza di attraversamento di modalità dell'LTOI per ottenere la generazione di pettini di frequenza elettro-ottici a spettro ultra-ampio con controllo di dispersione piatto su un'ampia gamma spettrale. Ciò ha portato a un'impressionante larghezza di banda del pettine di 450 nm con oltre 2000 linee di pettine, diverse volte maggiore di quella ottenibile con il niobato di litio. Rispetto ai pettini di frequenza ottici Kerr, i pettini elettro-ottici offrono il vantaggio di essere privi di soglia e più stabili, sebbene richiedano un ingresso a microonde ad alta potenza.
3.Soglia di danno ottico più elevata
La soglia di danno ottico dell'LTOI è doppia rispetto a quella dell'LNOI, offrendo un vantaggio nelle applicazioni non lineari (e potenzialmente nelle future applicazioni di assorbimento coerente perfetto (CPO)). È improbabile che gli attuali livelli di potenza dei moduli ottici danneggino il niobato di litio.
④Basso effetto Raman
Questo riguarda anche le applicazioni non lineari. Il niobato di litio ha un forte effetto Raman, che nelle applicazioni con pettini di frequenza ottica Kerr può portare a una generazione indesiderata di luce Raman e a una competizione per il guadagno, impedendo ai pettini di frequenza ottica in niobato di litio con taglio X di raggiungere lo stato solitonico. Con l'LTOI, l'effetto Raman può essere soppresso attraverso la progettazione dell'orientamento dei cristalli, consentendo all'LTOI con taglio X di ottenere la generazione di pettini di frequenza ottica solitonici. Ciò consente l'integrazione monolitica dei pettini di frequenza ottica solitonici con modulatori ad alta velocità, un'impresa non realizzabile con l'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 a quella del niobato di litio (610 °C contro 1157 °C). Prima dello sviluppo della tecnologia di eterointegrazione (XOI), i modulatori in 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 passaggio all'utilizzo di substrati isolanti e all'incisione di guide d'onda per la formazione dei modulatori, una temperatura di 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 delle ricerche attuali, l'LTOI offre vantaggi in termini di prestazioni passive, stabilità e costi di produzione su larga scala, senza apparenti svantaggi. Tuttavia, l'LTOI non supera il niobato di litio in termini di prestazioni di modulazione e i problemi di stabilità con l'LNOI hanno soluzioni note. Per i moduli DR per comunicazioni, la domanda di componenti passivi è minima (e, se necessario, potrebbe essere utilizzato il nitruro di silicio). Inoltre, sono necessari nuovi investimenti per ripristinare i processi di incisione a livello di wafer, le tecniche di eterointegrazione e i test di affidabilità (la difficoltà nell'incisione con il niobato di litio non risiedeva nella guida d'onda, ma nel raggiungimento di un'incisione a livello di wafer ad alta resa). Pertanto, per competere con la consolidata posizione del niobato di litio, l'LTOI potrebbe dover scoprire ulteriori vantaggi. Dal punto di vista accademico, tuttavia, l'LTOI offre un significativo potenziale di ricerca per sistemi integrati su chip, come pettini elettro-ottici a ottava, dispositivi PPLT, dispositivi a divisione di lunghezza d'onda solitonici e AWG e modulatori di array.
Data di pubblicazione: 08-11-2024