TFLN / TFLT en la plataforma SiPh para moduladores ópticos ultra-rápidos y de baja potencia

TFLN (Thin-Film Lithium Niobate) and TFLT (Thin-Film Lithium Tantalate) integrated on Silicon Photonics (SiPh) platforms represent a next-generation heterogeneous photonic integration technology designed for ultra-high-speed optical modulation.

Si bien la fotónica de silicio (SiPh) proporciona una excelente compatibilidad CMOS y capacidad de integración a gran escala, está fundamentalmente limitada por la ausencia de un fuerte efecto electroóptico (Pockels).Como resultado, los moduladores tradicionales de silicio sufren un mayor consumo de energía, un ancho de banda limitado y una linealidad de modulación reducida.

La tecnología de "tecnología de la información" incluye la integración de niobato de litio (LiNbO3) o tantalato de litio (LiTaO3) de película delgada en plataformas de guía de ondas de silicio mediante unión de obleas o integración híbrida.

• La respuesta electro-óptica ultra rápida de TFLN / TFLT
• La escalabilidad y fabricabilidad de la fotónica de silicio

Esta arquitectura híbrida permite circuitos integrados fotónicos (PIC) compactos, energéticamente eficientes y de banda ancha ultra alta para sistemas de comunicación óptica de próxima generación.

Materiales básicos

Niobato de litio de película delgada (TFLN)

El TFLN es ampliamente reconocido como el material líder para la modulación electroóptica de alta velocidad debido a su fuerte efecto Pockels.Permite una modulación del índice de refracción extremadamente rápida con muy poca pérdida óptica, por lo que es ideal para moduladores ópticos de alto rendimiento en sistemas de comunicación coherentes.

Tantalato de litio de película fina (TFLT)

TFLT ofrece propiedades electro-ópticas comparables a TFLN, pero con una mejor estabilidad térmica, un umbral de daño óptico más alto y una reducción de la deriva de CC.Estas características lo hacen especialmente adecuado para alta potencia, sistemas fotónicos a largo plazo y ambientalmente estables.

¿Por qué combinar TFLN / TFLT con Silicon Photonics?

La fotónica del silicio por sí sola se basa en el efecto de dispersión de plasma, que introduce limitaciones inherentes:

• No hay efecto electroóptico lineal intrínseco (Pockels)
• Pérdida óptica mayor durante la modulación
• Linealidad limitada para los formatos de modulación avanzada

Al integrar TFLN o TFLT en SiPh, la plataforma logra:

• Ancho de banda de modulación ultra alto (> 100 GHz)
• Válvulas de transmisión de alta tensión
• Mejora de la integridad y la linealidad de la señal
• Propagación óptica de baja pérdida
• Compatibilidad con la fabricación CMOS a gran escala

Tecnologías de integración

1. Integración heterogénea unida por obleas (SiPh + TFLN/TFLT)

En este enfoque, el niobato de litio o el tantalato de película delgada se unen a guías de onda prefabricadas de silicio o nitruro de silicio.

• Acoplamiento óptico mediante interacción de campo evanescente
• Compatible con los procesos CMOS de fotónica de silicio
• Apto para la fabricación a gran escala de obleas de gran volumen
• Rendimiento equilibrado y escalabilidad

2Guías de ondas de columna grabadas directas (LNOI / LTOI)

Las guías de ondas se moldean directamente en la película delgada de niobato de litio o tantalato de litio.

• Fuerte confinamiento óptico en el material electroóptico
• Eficiencia máxima de modulación
• Un mayor rendimiento del dispositivo con una menor huella
• Proceso de fabricación más complejo

Resumen de la estructura del dispositivo

Se utilizará un sistema de control de velocidad de los motores de las categorías M1 y M2.

• de una longitud de longitud igual o superior a 15 mm, pero no superior a 15 mm
• Capa de unión de SiO2
• Capa de LiNbO3 / LiTaO3 de película delgada (~ 300 ∼ 600 nm)
• Electrodos de RF para conducción eléctrica de alta velocidad

Comparación del rendimiento

Ventajas clave

Modulación de ultrarrápida

Soporta anchos de banda de modulación superiores a 100 GHz, lo que permite 400G, 800G y los sistemas de transmisión óptica 1.6T emergentes.

Funcionamiento de baja potencia

La reducción de Vπ reduce significativamente los requisitos de potencia de la unidad de RF en comparación con los moduladores de silicio convencionales.

Rendimiento óptico superior

La baja pérdida de propagación y el alto índice de refracción permiten una integración fotónica compacta y de alta densidad.

Estabilidad térmica y a largo plazo (Ventaja TFLT)

El TFLT proporciona una excelente resistencia a las variaciones de temperatura y una mínima deriva de CC, lo que garantiza un funcionamiento estable a largo plazo en entornos exigentes.

Escalabilidad compatible con CMOS

La integración de enlace de obleas permite la compatibilidad con la fabricación estándar de fotónica de silicio, lo que admite una producción escalable.

Áreas de aplicación

• Interconexiones ópticas de centro de datos (400G / 800G / 1.6T)
• Sistemas de comunicación óptica coherentes
• Fotónica de microondas y enlaces de RF sobre fibra
• Circuitos integrados fotónicos (PIC)
• LiDAR y sistemas de detección óptica
• Plataformas de modulación láser de alta potencia

Guía de selección

Seleccione TFLN si:

• La velocidad máxima de modulación es la prioridad
• Se dirige a los ecosistemas maduros de telecomunicaciones o de datos.
• Se requiere un rendimiento de ancho de banda ultra alto

Seleccione TFLT si:

• La estabilidad a largo plazo es crítica
• Se requiere un manejo de alta potencia óptica
• La baja deriva de CC y la robustez térmica son importantes

Preguntas frecuentes

1¿Por qué el TFLN/TFLT es superior a los moduladores sólo de silicio?

Debido a que introduce un fuerte efecto electroóptico lineal (Pockels), lo que permite una modulación mucho más rápida, un menor consumo de energía,y pérdida óptica reducida en comparación con el efecto de dispersión plasmática del silicio.

2¿Qué es el acoplamiento evanescente en la integración SiPh?

Es un mecanismo en el que la luz que se propaga en una guía de onda de silicio extiende su campo óptico en la capa de niobato/tantalato de litio unido, lo que permite una modulación eficiente sin transferencia de modo completa.

3¿Es esta tecnología adecuada para la producción en masa?

La unión a escala de obleas y los procesos compatibles con CMOS lo hacen adecuado para la fabricación de gran volumen en plataformas avanzadas de integración fotónica.