Le matériau tantalate de lithium en couches minces (LTOI) s'impose comme un atout majeur dans le domaine de l'optique intégrée. Cette année, plusieurs travaux de haut niveau sur les modulateurs LTOI ont été publiés, notamment des plaquettes 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 procédés de gravure de guides d'ondes de haute qualité développés par le groupe du professeur Kippenberg à l'EPFL, en Suisse. Leurs travaux collaboratifs ont donné des résultats impressionnants. Par ailleurs, des équipes de recherche de l'Université du Zhejiang, dirigées par le professeur Liu Liu, et de l'Université Harvard, dirigées par le professeur Loncar, ont également présenté des modulateurs LTOI à haute vitesse et haute stabilité.
Proche parent du niobate de lithium en couches minces (LNOI), le LTOI conserve les caractéristiques de modulation à grande vitesse et de faibles pertes 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 dimensions courantes des dispositifs passifs basés sur les deux matériaux sont très similaires, et que leurs performances de couplage des fibres sont également comparables. Avec une bonne gravure du guide d'ondes, les deux matériaux peuvent atteindre une perte d'insertion de<0,1 dB/cm. L'EPFL rapporte une perte de guide d'ondes de 5,6 dB/m.
②Coefficient électro-optique :30,5 pm/V contre 30,9 pm/V
L'efficacité de modulation est comparable pour les deux matériaux, la modulation reposant sur l'effet Pockels permettant une bande passante élevée. Actuellement, les modulateurs LTOI sont capables d'atteindre 400 Gbit/s par voie, avec une bande passante supérieure à 110 GHz.
③Bande interdite :3,93 eV contre 3,78 eV
Les deux matériaux disposent d'une large fenêtre transparente, prenant en charge des 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 contre 27h/V
Si elles sont utilisées pour des applications non linéaires telles que la génération de deuxième harmonique (SHG), la génération de différence de fréquence (DFG) ou la génération de somme de fréquence (SFG), les rendements de conversion des deux matériaux devraient être assez similaires.
◆ Avantage de coût du LTOI par rapport au LNOI
1Coût de préparation des plaquettes réduit
Le LNOI nécessite une implantation d'ions He pour la séparation des couches, ce qui présente 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 délamination plus de dix fois supérieure à celle du LNOI. Il en résulte une différence de prix significative pour les plaquettes de 6 pouces : 300 $ contre 2 000 $, soit une réduction 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 causée par des défauts à l'interface du guide d'ondes. Sans traitement, la stabilisation de ces dispositifs pouvait prendre jusqu'à une journée. 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 le rend aujourd'hui largement gérable.
En revanche, le LTOI présente moins de défauts matériels, ce qui réduit considérablement les 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 totalement équitable ; avec 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 poser problème, notamment en raison des courbures du guide d'ondes pouvant entraîner un couplage et une hybridation des modes. Dans un LNOI mince, une courbure du guide d'ondes peut convertir partiellement la lumière TE en lumière TM, ce qui complique la fabrication de certains dispositifs passifs, comme les filtres.
Avec le LTOI, la faible biréfringence élimine ce problème, ce qui pourrait faciliter le développement de dispositifs passifs hautes performances. L'EPFL a également rapporté des résultats notables, exploitant la faible biréfringence et 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 uniforme sur une large gamme spectrale. Il en résulte une impressionnante bande passante de peigne de 450 nm avec plus de 2 000 lignes de peigne, soit plusieurs fois supérieure à celle obtenue avec le niobate de lithium. Comparés aux peignes de fréquences optiques Kerr, les peignes électro-optiques offrent l'avantage d'être sans seuil et plus stables, bien qu'ils nécessitent une entrée micro-ondes de forte puissance.
③Seuil de dommage optique plus élevé
Le seuil de dommage optique du LTOI est deux fois supérieur à celui du LNOI, ce qui constitue un avantage pour les applications non linéaires (et potentiellement pour les futures applications d'absorption parfaite cohérente (CPO)). Les niveaux de puissance actuels des modules optiques sont peu susceptibles d'endommager le niobate de lithium.
④Faible effet Raman
Ceci s'applique également aux applications non linéaires. Le niobate de lithium présente un fort effet Raman, ce qui, dans les applications de peignes de fréquences optiques Kerr, peut entraîner une génération de lumière Raman indésirable et une compétition de gain, empêchant les peignes de fréquences optiques de niobate de lithium de coupe X d'atteindre l'état soliton. Avec le LTOI, l'effet Raman peut être supprimé grâce à la conception de l'orientation du cristal, ce qui permet au LTOI de coupe X de générer des peignes de fréquences optiques de solitons. Cela permet l'intégration monolithique de peignes de fréquences optiques de solitons avec des modulateurs haute vitesse, un exploit impossible à réaliser avec le 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 en niobate de lithium étaient fabriqués par diffusion de titane, ce qui nécessite un recuit à plus de 1 000 °C, ce qui rend la LTOI inadaptée. Cependant, avec l'évolution actuelle vers l'utilisation de substrats isolants et la gravure de guides d'ondes pour la formation des modulateurs, une température de Curie de 610 °C est largement suffisante.
◆ Le tantalate de lithium en couche mince (LTOI) remplacera-t-il le niobate de lithium en couche mince (TFLN) ?
D'après 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 minimale (et le nitrure de silicium pourrait être utilisé si nécessaire). De plus, de nouveaux investissements sont nécessaires pour rétablir les processus de gravure au niveau de la tranche, les techniques d'hétérointégration et les tests de fiabilité (la difficulté de la gravure au niobate de lithium ne résidait pas dans le guide d'ondes, mais dans l'obtention d'une gravure au niveau de la tranche à haut rendement). Par conséquent, pour concurrencer le niobate de lithium, le LTOI devra peut-être découvrir de nouveaux atouts. Sur le plan académique, cependant, le LTOI offre un potentiel de recherche important pour les systèmes intégrés sur puce, tels que les peignes électro-optiques à octave étendue, les PPLT, les dispositifs de division de longueur d'onde à solitons et AWG, et les modulateurs matriciels.
Date de publication : 08/11/2024