Le matériau en couches minces de tantalate de lithium (LTOI) s'impose comme une technologie émergente majeure dans le domaine de l'optique intégrée. Cette année, plusieurs travaux de pointe sur les modulateurs LTOI ont été publiés, notamment grâce à la fourniture de plaquettes LTOI de haute qualité par le professeur Xin Ou de l'Institut de microsystèmes et de technologies de l'information de Shanghai, et au développement de procédés de gravure de guides d'ondes de haute précision par l'équipe du professeur Kippenberg à l'EPFL, en Suisse. Leur collaboration a permis d'obtenir 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 la modulation à haute vitesse et les faibles pertes caractéristiques 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 du guide d'ondes monomode, le rayon de courbure et les dimensions des dispositifs passifs courants, basés sur les deux matériaux, sont très similaires, et que leurs performances de couplage à la fibre sont également comparables. Avec une gravure de guide d'ondes de qualité, les deux matériaux peuvent atteindre une perte d'insertion de<0,1 dB/cm. L'EPFL signale 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 basée sur l'effet Pockels permettant une large bande passante. Actuellement, les modulateurs LTOI sont capables d'atteindre un débit de 400 Gbit/s par voie, avec une bande passante supérieure à 110 GHz.
③Bande interdite :3,93 eV contre 3,78 eV
Ces deux matériaux possèdent une large fenêtre de transparence, permettant des applications allant des longueurs d'onde visibles à infrarouges, sans absorption dans les bandes de communication.
④Coefficient non linéaire du second ordre (d33) :21 pm/V contre 27 pm/V
Si elles sont utilisées pour des applications non linéaires telles que la génération de second harmonique (SHG), la génération de fréquence différence (DFG) ou la génération de fréquence somme (SFG), les efficacités de conversion des deux matériaux devraient être assez similaires.
◆ Avantage de coût du LTOI par rapport au LNOI
①Coût de préparation des plaquettes réduit
La technologie LNOI nécessite une implantation d'ions He pour la séparation des couches, ce qui entraîne une faible efficacité d'ionisation. À l'inverse, la technologie LTOI utilise une implantation d'ions H pour la séparation, comme la technologie SOI, avec une efficacité de délamination plus de 10 fois supérieure à celle de la LNOI. Il en résulte une différence de prix significative pour les plaquettes de 6 pouces : 300 $ contre 2 000 $, soit une réduction de coût 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 de performance du LTOI par rapport au LNOI
①Moins de défauts matériels, effet photoréfractif plus faible, stabilité accrue
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, ces dispositifs pouvaient 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 d'oxyde métallique, la polarisation du substrat et le recuit, rendant ainsi ce problème largement gérable aujourd'hui.
À l'inverse, 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 biaiser la comparaison ; après 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 forte biréfringence du niobate de lithium (LNOI) peut parfois poser problème, notamment parce que les coudes des guides d'ondes peuvent induire un couplage et une hybridation des modes. Dans les couches minces de LNOI, un coude dans le guide d'ondes peut convertir partiellement la lumière TE en lumière TM, ce qui complique la fabrication de certains dispositifs passifs, comme les filtres.
Grâce à la faible biréfringence du LTOI, ce problème est résolu, ce qui facilite potentiellement le développement de dispositifs passifs hautes performances. L'EPFL a également obtenu des résultats remarquables, tirant parti de la faible biréfringence du LTOI et de l'absence de croisement de modes pour générer des peignes de fréquences électro-optiques à spectre ultra-large avec un contrôle de dispersion plat sur une large gamme spectrale. Ceci a permis d'obtenir une largeur de bande impressionnante de 450 nm avec plus de 2 000 raies, soit plusieurs fois plus que ce qui est réalisable avec le niobate de lithium. Comparés aux peignes de fréquences optiques Kerr, les peignes électro-optiques présentent l'avantage d'être sans seuil et plus stables, bien qu'ils nécessitent une puissance micro-onde d'entrée élevée.
③Seuil de dommage optique plus élevé
Le seuil d'endommagement optique du LTOI est deux fois supérieur à celui du LNOI, ce qui représente 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.
④Effet Raman faible
Ceci concerne également les applications non linéaires. Le niobate de lithium présente un fort effet Raman qui, dans les applications de peignes de fréquences optiques Kerr, peut engendrer une génération de lumière Raman indésirable et une compétition de gain, empêchant les peignes de fréquences optiques en niobate de lithium taillé selon l'axe x d'atteindre l'état solitonique. Avec le LTOI, l'effet Raman peut être supprimé grâce à une conception optimisée de l'orientation du cristal, permettant ainsi au LTOI taillé selon l'axe x de générer un peigne de fréquences optiques solitoniques. Ceci rend possible l'intégration monolithique de peignes de fréquences optiques solitoniques avec des modulateurs à haute vitesse, une prouesse impossible à réaliser avec le LNOI.
◆ Pourquoi le tantalate de lithium en couches minces (LTOI) n'a-t-il pas été mentionné plus tôt ?
Le tantalate de lithium possède une température de Curie inférieure à celle du niobate de lithium (610 °C contre 1157 °C). Avant l'avènement de la technologie d'hétérointégration (XOI), les modulateurs en niobate de lithium étaient fabriqués par diffusion de titane, un procédé nécessitant un recuit à plus de 1000 °C, ce qui rendait l'hétérointégration inadaptée. Cependant, avec l'utilisation actuelle 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, l'oxyde de lithium-isotope (LTOI) présente des avantages en termes de performances passives, de stabilité et de coût de production à grande échelle, sans inconvénients apparents. Cependant, ses performances de modulation restent inférieures à celles du niobate de lithium, et les problèmes de stabilité de ce dernier ont des solutions connues. Pour les modules DR de communication, les besoins en composants passifs sont minimes (et le nitrure de silicium pourrait être utilisé si nécessaire). De plus, de nouveaux investissements sont nécessaires pour rétablir les procédés de gravure au niveau de la plaquette, les techniques d'hétérointégration et les tests de fiabilité (la difficulté de la gravure du niobate de lithium ne résidait pas dans le guide d'ondes lui-même, mais dans l'obtention d'une gravure au niveau de la plaquette à haut rendement). Par conséquent, pour concurrencer la position établie du niobate de lithium, le LTOI devra probablement développer de nouveaux atouts. Sur le plan académique, le LTOI offre néanmoins un potentiel de recherche important pour les systèmes intégrés sur puce, tels que les peignes électro-optiques couvrant une octave, les PPLT, les dispositifs de répartition en longueur d'onde à solitons et à AWG, et les modulateurs matriciels.
Date de publication : 8 novembre 2024