Le matériau de tantalate de lithium en couche mince (LTOI) apparaît comme une nouvelle force importante dans le domaine de l'optique intégrée. Cette année, plusieurs travaux de haut niveau sur les modulateurs LTOI ont été publiés, avec des tranches LTOI de haute qualité fournies par le professeur Xin Ou de l'Institut des microsystèmes et des technologies de l'information de Shanghai, et des processus de gravure de guides d'ondes de haute qualité développés par le groupe du professeur Kippenberg à l'EPFL. , Suisse. Leurs efforts de collaboration ont donné des résultats impressionnants. De plus, des équipes de recherche de l'Université du Zhejiang dirigées par le professeur Liu Liu et de l'Université de Harvard dirigées par le professeur Loncar ont également rendu compte de modulateurs LTOI à grande vitesse et haute stabilité.
En tant que proche parent du niobate de lithium en couche mince (LNOI), le LTOI conserve les caractéristiques de modulation à grande vitesse et de faible perte du niobate de lithium tout en offrant des avantages tels qu'un faible coût, une faible biréfringence et des effets photoréfractifs réduits. Une comparaison des principales caractéristiques des deux matériaux est présentée ci-dessous.
◆ Similitudes entre le tantalate de lithium (LTOI) et le niobate de lithium (LNOI)
①Indice de réfraction :2,12 contre 2,21
Cela implique que les dimensions des guides d'ondes monomodes, le rayon de courbure et les tailles communes des dispositifs passifs basés sur les deux matériaux sont très similaires et que leurs performances de couplage de fibres sont également comparables. Avec une bonne gravure du guide d'ondes, les deux matériaux peuvent atteindre une perte d'insertion de<0,1dB/cm. L'EPFL rapporte une perte dans le guide d'ondes de 5,6 dB/m.
②Coefficient électro-optique :30,5h/V vs 30,9h/V
L'efficacité de la modulation est comparable pour les deux matériaux, avec une modulation basée sur l'effet Pockels, permettant une bande passante élevée. Actuellement, les modulateurs LTOI sont capables d'atteindre des performances de 400G par voie, avec une bande passante supérieure à 110 GHz.
③Bande interdite :3,93 eV contre 3,78 eV
Les deux matériaux ont une large fenêtre transparente, prenant en charge les applications allant des longueurs d'onde visibles aux infrarouges, sans absorption dans les bandes de communication.
④Coefficient non linéaire du second ordre (d33) :21h/V vs 27h/V
S'ils sont utilisés pour des applications non linéaires telles que la génération de seconde harmonique (SHG), la génération de fréquence différentielle (DFG) ou la génération de fréquence somme (SFG), les efficacités de conversion des deux matériaux doivent être assez similaires.
◆ Avantage de coût du LTOI par rapport au LNOI
①Coût de préparation des plaquettes réduit
LNOI nécessite une implantation d'ions He pour la séparation des couches, qui a une faible efficacité d'ionisation. En revanche, le LTOI utilise l'implantation d'ions H pour la séparation, similaire au SOI, avec une efficacité de délaminage plus de 10 fois supérieure à celle du LNOI. Cela se traduit par une différence de prix significative pour les tranches de 6 pouces : 300 $ contre 2 000 $, soit une réduction des coûts de 85 %.
②Il est déjà largement utilisé sur le marché de l'électronique grand public pour les filtres acoustiques.(750 000 unités par an, utilisées par Samsung, Apple, Sony, etc.).
◆ Avantages en termes de performances du LTOI par rapport au LNOI
①Moins de défauts de matériaux, effet photoréfractif plus faible, plus de stabilité
Initialement, les modulateurs LNOI présentaient souvent une dérive du point de polarisation, principalement due à l'accumulation de charges provoquée par des défauts à l'interface du guide d'ondes. S’ils ne sont pas traités, ces appareils pourraient mettre jusqu’à une journée à se stabiliser. Cependant, diverses méthodes ont été développées pour résoudre ce problème, telles que l'utilisation d'un revêtement en oxyde métallique, la polarisation du substrat et le recuit, ce qui rend ce problème largement gérable désormais.
En revanche, le LTOI présente moins de défauts de matériaux, ce qui entraîne une réduction significative des phénomènes de dérive. Même sans traitement supplémentaire, son point de fonctionnement reste relativement stable. Des résultats similaires ont été rapportés par l’EPFL, Harvard et l’Université du Zhejiang. Cependant, la comparaison utilise souvent des modulateurs LNOI non traités, ce qui peut ne pas être tout à fait juste ; avec le traitement, les performances des deux matériaux sont probablement similaires. La principale différence réside dans le fait que le LTOI nécessite moins d’étapes de traitement supplémentaires.
②Biréfringence inférieure : 0,004 contre 0,07
La biréfringence élevée du niobate de lithium (LNOI) peut parfois s'avérer difficile, d'autant plus que les courbures des guides d'ondes peuvent provoquer un couplage de modes et une hybridation de modes. Dans un LNOI mince, une courbure du guide d'onde peut convertir partiellement la lumière TE en lumière TM, compliquant ainsi la fabrication de certains dispositifs passifs, comme les filtres.
Avec le LTOI, la biréfringence plus faible élimine ce problème, ce qui facilite potentiellement le développement de dispositifs passifs hautes performances. L'EPFL a également rapporté des résultats notables, tirant parti de la faible biréfringence et de l'absence de croisement de modes du LTOI pour obtenir une génération de peignes de fréquences électro-optiques à spectre ultra large avec un contrôle de dispersion plat sur une large gamme spectrale. Cela a abouti à une bande passante impressionnante de 450 nm avec plus de 2 000 lignes de peigne, plusieurs fois plus grande que ce qui peut être obtenu avec le niobate de lithium. Par rapport aux peignes de fréquence optique Kerr, les peignes électro-optiques offrent l'avantage d'être sans seuil et plus stables, bien qu'ils nécessitent une entrée micro-ondes de haute puissance.
③Seuil de dommages optiques plus élevé
Le seuil de dommage optique du LTOI est deux fois supérieur à celui du LNOI, offrant un avantage dans les applications non linéaires (et potentiellement dans les futures applications d'absorption parfaite cohérente (CPO)). Il est peu probable que les niveaux de puissance actuels des modules optiques endommagent le niobate de lithium.
④Faible effet Raman
Cela concerne également les applications non linéaires. Le niobate de lithium a un fort effet Raman, qui, dans les applications de peignes de fréquence optique Kerr, peut conduire à une génération de lumière Raman indésirable et gagner en concurrence, empêchant les peignes de fréquence optique en niobate de lithium x-cut d'atteindre l'état soliton. Avec LTOI, l'effet Raman peut être supprimé grâce à une conception d'orientation des cristaux, permettant à LTOI x-cut de réaliser une génération de peignes de fréquence optique soliton. Cela permet l’intégration monolithique de peignes de fréquence optique soliton avec des modulateurs à grande vitesse, un exploit impossible à réaliser avec LNOI.
◆ Pourquoi le tantalate de lithium en couche mince (LTOI) n'a-t-il pas été mentionné plus tôt ?
Le tantalate de lithium a une température de Curie inférieure à celle du niobate de lithium (610°C contre 1 157°C). Avant le développement de la technologie d'hétérointégration (XOI), les modulateurs au niobate de lithium étaient fabriqués par diffusion de titane, ce qui nécessite un recuit à plus de 1 000 °C, ce qui rend le LTOI inadapté. Cependant, avec l'évolution actuelle vers l'utilisation de substrats isolants et de gravure de guides d'ondes pour la formation de modulateurs, une température de Curie de 610 °C est plus que suffisante.
◆ Le tantalate de lithium en couche mince (LTOI) remplacera-t-il le niobate de lithium en couche mince (TFLN) ?
Basé sur les recherches actuelles, le LTOI offre des avantages en termes de performances passives, de stabilité et de coût de production à grande échelle, sans inconvénients apparents. Cependant, le LTOI ne surpasse pas le niobate de lithium en termes de performances de modulation, et les problèmes de stabilité du LNOI ont des solutions connues. Pour les modules de communication DR, la demande de composants passifs est minime (et du nitrure de silicium pourrait être utilisé si nécessaire). De plus, de nouveaux investissements sont nécessaires pour rétablir les processus de gravure au niveau des tranches, les techniques d'hétérointégration et les tests de fiabilité (la difficulté avec la gravure au niobate de lithium n'était pas le guide d'onde mais l'obtention d'une gravure au niveau des tranches à haut rendement). Par conséquent, pour concurrencer la position établie du niobate de lithium, LTOI devra peut-être découvrir d’autres avantages. Cependant, sur le plan académique, le LTOI offre un potentiel de recherche important pour les systèmes intégrés sur puce, tels que les peignes électro-optiques s'étendant sur une octave, les dispositifs de division de longueur d'onde PPLT, soliton et AWG et les modulateurs matriciels.
Heure de publication : 08 novembre 2024