Transformación de materiales optoelectrónicos (LiNbO₃, YAG, SOI, Ge) mediante ingeniería de dopaje

1 Introducción

En el actual campo de la optoelectrónica, en rápida evolución, la ciencia de los materiales está experimentando una revolución silenciosa. Mediante el dopaje preciso de materiales ópticos clave, los ingenieros no dejan de superar los límites físicos de la eficiencia de la fotoconversión, la potencia de salida del láser y la densidad de integración. Aunque los cristales puros poseen excelentes propiedades ópticas, inevitablemente presentan defectos en otros aspectos. El método preciso para abordar estos defectos consiste en optimizarlos mediante el dopaje de otros iones. Los cristales de niobato de litio, cuando se dopan con iones de tierras raras, pasan de ser materiales pasivos a medios de ganancia para láseres de banda de comunicación; y los cristales de YAG, cuando se dopan con iones de neodimio, se convierten en el núcleo de los láseres industriales; y las plataformas SOI combinadas con la tecnología de dopaje con germanio reducen la corriente oscura de los fotodetectores en varios órdenes de magnitud. Estas transformaciones están remodelando silenciosamente el diseño de los chips fotónicos.

Fig. 1 Varios cristales ópticos dopados

2 Niobato de litio dopado

2.1 Propiedades y ventajas del dopaje del niobato de litio

Los cristales de niobato de litio (LN ) son excelentes cristales ferroeléctricos, cristales electroópticos y cristales ópticos no lineales. El LN puro presenta inconvenientes, como la susceptibilidad a los daños por luz y la baja sensibilidad de grabación, cuando se utiliza como material de grabación holográfica. Para solucionar estos problemas, se emplean métodos de dopaje que modifican o mejoran las propiedades del LN. Los principales metales de transición dopantes son el Fe, el Zn, el Mn y el Cr, aunque también se suelen utilizar elementos de tierras raras como el Tm, el Er, el Eu y el Nd. El Mg también se emplea con frecuencia como dopante. Estos elementos, cuando se dopan en LN, pueden alterar significativamente sus propiedades. Por ejemplo, Zn: LN y Mg: LN pueden aumentar en varios órdenes de magnitud la resistencia del LN a los daños causados por la luz; el Fe: LN puede mejorar la sensibilidad de grabación de la LN como medio de grabación holográfica; y MgO: Nd: LN puede utilizarse como cristal láser. A veces, para satisfacer múltiples requisitos de uso, se emplean métodos duales o multidopantes para hacer crecer el niobato de litio, como MgO: LN, Fe: MgO: LN, Fe: Nd: LN, Fe: Er: LN, MgO: Nd: LN y MgO: Er: LN.

Los cristales de niobato de litio, abreviados como LN, pertenecen al sistema cristalino trigonal y tienen una estructura de tipo titanita. Densidad relativa: 4,30; constantes de red: a = 0,5147 nm, c = 1,3856 nm; punto de fusión: 1240°C; dureza Mohs: 5; índices de refracción: n₀ = 2,797, ne = 2.208 (λ = 600 nm); constantes dieléctricas: ε = 44, ε = 29,5, ε = 84, ε = 30; coeficientes electroópticos de primer orden γ13 = γ23 = 10 × 10 m/V, γ33 = 32 × 10 m/V. Γ22 = -γ12 = -γ61 = 6,8 × 10 m/V, coeficientes no lineales d31 = -6,3 × 10 m/V, d22 = +3,6 × 10 m/V, d33 = -47 × 10 m/V. El niobato de litio es un cristal ferroeléctrico con un punto de Curie de 1140°C y una fuerza de polarización espontánea de 50 × 10 C/cm2. Los cristales de niobato de litio tratados con deformación presentan propiedades multifuncionales como piezoelectricidad, ferroelectricidad, fotovoltaicidad, óptica no lineal y termoelectricidad, y también pueden presentar, mediante dopaje (por ejemplo, Fe), un efecto fotocrómico.

Fig. 2 Cristales de niobato de litio dopados

2.2 Método de dopaje

Método de dopaje para el crecimiento de los cristales: Los óxidos de tierras raras (como Er2O3) se dopan durante el método de arrastre para conseguir una alta uniformidad de dopaje, pero es difícil preparar cristales de gran tamaño. Teniendo en cuenta los requisitos de concentración y uniformidad del dopaje con iones de erbio, el equipo de investigación empleó principalmente métodos de dopaje por difusión térmica e implantación de iones tras dos años de experimentación continua y optó por el dopaje con iones de erbio durante el crecimiento de cristales de niobato de litio. A continuación, las obleas de niobato de litio dopadas con erbio se transforman en finas películas de niobato de litio basadas en silicio mediante tecnología de corte iónico (smart-cut), con lo que se abordan los futuros retos de la integración en chip.

Método de dopaje por difusión térmica: Tras la deposición al vacío de una capa de tierras raras, se aplica la difusión a alta temperatura, adecuada para el dopaje selectivo en zonas localizadas, pero la uniformidad de la concentración es limitada.

Método de dopaje por implantación de iones: Controla con precisión la energía y la dosis de inyección, pero puede introducir daños en la red, lo que requiere una reparación posterior al recocido.

2.3 Campos de aplicación

Láser de microcavidad: La cavidad de microdisco LNOI dopada con erbio (radio 75 μm) consigue una salida láser en la banda de comunicación (~1550 nm) bajo bombeo de 974/1460 nm, con una potencia umbral tan baja como el nivel μW, adecuada para comunicación coherente en chip y fuentes de luz cuántica.

Amplificadores integrados heterogéneos: Las guías de onda LNOI dopadas con erbio integradas con diodos de avalancha InP/InGaAs consiguen amplificar en dos etapas las señales ópticas, con un aumento de la ganancia de más de 20 dB.

Fig. 3 Amplificadores heterogéneos integrados

3 YAG dopado

3.1 Propiedades del YAG y ventajas del dopaje

El granate de itrio y aluminio, abreviado como YAG, es un cristal sintético de óxido de aluminio en el que los iones de itrio sustituyen a algunos iones de aluminio. Es un material robusto con excelente dureza, densidad y conductividad térmica, lo que lo hace ideal para aplicaciones de alto rendimiento. Es conocido por sus excelentes propiedades térmicas, ópticas y mecánicas. Estas características lo convierten en una opción ideal para aplicaciones tecnológicas como el láser y la óptica. Este artículo ofrece una comparación en profundidad entre los cristales de YAG puros y los cristales de YAG dopados con tierras raras.

Los cristales de YAG dopados con tierras raras son esencialmente cristales de YAG impregnados con ciertos elementos de tierras raras. Los elementos más utilizados para el dopaje son el neodimio (Nd), el erbio (Er) y el itrio (Yb). Estos elementos mejoran notablemente el rendimiento de los cristales YAG en determinadas aplicaciones, sobre todo en la tecnología láser.

Los cristales YAG dopados con tierras raras heredan las excelentes propiedades físicas de los cristales YAG puros, como su elevada dureza, densidad y conductividad térmica. Sin embargo, la incorporación de elementos de tierras raras confiere a estos cristales propiedades ópticas únicas. Por ejemplo, pueden generar luz láser eficiente y potente, una característica muy valorada en diversas industrias.

La elección de los elementos dopantes desempeña un papel crucial en la definición de las características de los cristales YAG dopados. Por ejemplo, los cristales de YAG dopados con neodimio (Nd: YAG) son famosos por su eficacia para generar láseres de alta potencia. Por otro lado, los cristales de YAG dopados con erbio (Er: YAG) emiten luz en longitudes de onda muy absorbidas por el agua, lo que los convierte en una opción ideal para aplicaciones médicas y dentales.

Fig. 4 Granate de aluminio e itrio dopado con neodimio (Nd: YAG)

3.2 Preparación de los cristales de YAG y métodos de dopaje

La preparación de cristales de YAG puros implica el uso de tecnología de alta temperatura y alta presión para la síntesis artificial. Este proceso implica el método Czochralski, en el que los cristales semilla se sumergen en una mezcla fundida de itrio, aluminio y oxígeno. A continuación, los cristales se extraen lentamente, dejando que se formen cristales individuales a medida que la mezcla fundida se enfría y solidifica. Los cristales resultantes se cortan y pulen cuidadosamente, listos para su uso en diversas aplicaciones. Al igual que los cristales puros, los cristales de YAG dopados con tierras raras se sintetizan mediante el método Czochralski. Sin embargo, en este proceso se introducen elementos específicos de tierras raras en la mezcla fundida. Estos elementos sustituyen a una pequeña parte de los iones de itrio en la estructura cristalina, formando un cristal de YAG dopado. El producto final no sólo conserva las excelentes propiedades de los cristales de YAG puros, sino que también presenta características mejoradas debido a la presencia de los elementos dopados.

Fig. 5 Método Czochralski

3.3 Sistemas de dopaje típicos y rendimiento

Nd:YAG: El material láser más utilizado, con una longitud de onda de salida de 1064 nm. Cuando la concentración de Nd³⁺ es de aproximadamente 1 at.%, equilibra una alta ganancia con bajos efectos térmicos, lo que lo hace adecuado para láseres industriales de corte y médicos.

Yb:YAG: Bajo defecto cuántico (sólo el 8%) y baja carga térmica, adecuado para láseres de alta potencia media (clase kilovatio). La banda de absorción está a 940 nm, muy compatible con fuentes de bombeo de diodo.

Er:YAG: Emite luz infrarroja media a 2940 nm, fuertemente absorbida por las moléculas de agua, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones médicas con láser (como odontología y dermatología).

Ce:YAG: Convierte la luz azul del LED en luz amarilla, que se combina con la luz azul restante para formar luz blanca, sirviendo como material fluorescente central para la iluminación de estado sólido.

4 SOI dopado

La diferencia clave entre la tecnología SOI (Silicon-on-Insulator ) y las estructuras MOS de silicio a granel tradicionales radica en la introducción de una capa de óxido enterrada (BOX).

Tabla 1 Comparación de los distintos tipos de SOI dopada

Fig. 6 Estructura de la oblea SOI

5 Aplicaciones de vanguardia de los cristales dopados

En el actual campo de la fotónica y la tecnología cuántica, en rápida evolución, tres sistemas de materiales básicos están remodelando el panorama de la industria con innovaciones disruptivas: el niobato de litio (LN), aclamado como el "silicio óptico"; el granate de itrio y aluminio (YAG), piedra angular de los láseres de alta potencia; y las plataformas de silicio sobre aislante (SOI), que rompen las limitaciones de las tecnologías basadas en el silicio. Las técnicas de dopaje y las soluciones de integración heterogénea de estos materiales están creando un amplio ecosistema tecnológico que abarca aplicaciones que van desde la comunicación cuántica hasta los láseres industriales.

5.1 Aplicaciones del niobato de litio

El niobato de litio es el cristal ferroeléctrico con el coeficiente óptico no lineal más elevado, por lo que los avances en la tecnología de dopaje están liberando todo su potencial. El láser de microdisco de niobato de litio dopado con Er3+ (Er: LNOI) desarrollado por el equipo de la Academia China de las Ciencias alcanza una potencia umbral de μW y un ancho de línea ultraestrecho de <1 kHz con un bombeo de 1460 nm. Estas prestaciones lo convierten en una fuente de luz ideal para sistemas de medición cuántica de precisión. Aún más sorprendente es el esquema de láser híbrido electrobombeado: al integrar materiales InP con la plataforma LNOI mediante tecnología de impresión por microtransferencia, la potencia de salida supera el nivel de 100 mW, lo que satisface directamente los requisitos de potencia de los módulos ópticos de estaciones base 5G y sistemas lidar.

En el campo de los moduladores, la tecnología de "cuchilla iónica universal" adhiere películas finas de niobato de litio a obleas SOI, produciendo moduladores electroópticos que admiten transmisiones de alta velocidad de 192 Gbit/s con una excelente planitud de respuesta a baja frecuencia. Esta solución de integración heterogénea no sólo resuelve la debilidad fundamental de los materiales basados en silicio en los efectos electroópticos, sino que también reduce el consumo de energía de interconexión óptica de los centros de datos en un 30%. El diseño sinérgico de niobato de litio periódicamente pulido (PPLN) y Er³⁺ ha dado lugar a una fuente de luz de doble longitud de onda: luz violeta de 405 nm para la visualización holográfica y luz verde de 550 nm como fuente de luz para la manipulación de bits cuánticos, lo que demuestra una nueva vía para la funcionalización de materiales.

Cabe destacar el ennegrecimiento inducido por láser de femtosegundo de la tecnología del niobato de litio. Mediante la micro-nanoestructuración superficial, este material consigue una reducción de dos órdenes de magnitud en la pérdida óptica y triplica la respuesta no lineal durante la generación de pulsos ultrarrápidos, lo que lo convierte en un componente clave en detectores de alta sensibilidad y sistemas de detección cuántica.

5.2 Aplicaciones del YAG dopado

Los cristales de granate de itrio y aluminio, con su excelente estabilidad térmica, están superando las limitaciones de potencia de los láseres tradicionales gracias a las tecnologías de dopaje por gradiente y codopaje iónico. Los cristales Nd: YAG de gradiente de concentración axial (0,17-0,38 at.%) diseñados por el Instituto de Ciencias Físicas de Hefei de la Academia China de las Ciencias logran un aumento del 42% en la distancia focal de la lente térmica y reducen la tensión térmica al 60% de la de las estructuras tradicionales mediante el control preciso de la distribución de la concentración de dopante. Bajo bombeo a 808 nm, el sistema mantiene un crecimiento lineal de la potencia a 110 W de potencia de salida, con una eficiencia luz-luz del 51,9%, cifra que se aproxima al límite teórico de los medios láser.

Un avance más innovador se observa en el diseño del láser de conmutación de Q: el sistema optimizado de Nd: YAG de una sola varilla emite 12 W de láser a 1064 nm a una frecuencia de 2 kHz, con una potencia pico de 882 kW, una calidad de haz M2 < 1,25 y una métrica de brillo de 5,02 × 10^13W/(cm2-Sr), lo que establece un nuevo récord para dispositivos similares. Esta fuente de luz de alto brillo está revolucionando las reglas del juego en el procesamiento de precisión y la cirugía médica: en el microprocesamiento por láser de femtosegundo, su diámetro de punto focalizado puede comprimirse por debajo de 5 μm; en cirugía oftalmológica, permite realizar cortes precisos sin daños térmicos.

En el campo de los materiales luminiscentes, la cerámica transparente (Gd, Lu)3Al5O12:Tb3+/Eu3+ consigue pasar de la emisión verde a la roja mediante mecanismos de transferencia de energía, con un aumento del 30% de la eficiencia cuántica. Este material sintonizable ha logrado una cobertura del 95% de la gama de colores NTSC en microproyección, mientras que las propiedades de resistencia a la radiación de las cerámicas YAG dopadas con Ce3+ las convierten en un componente crítico en los procesadores de a bordo de las naves espaciales, con una tasa de flip de una sola partícula reducida en un 87,5% en comparación con los dispositivos tradicionales.

5.3 Aplicaciones de los materiales SOI dopados

La tecnología de silicio sobre aislante (SOI), mediante el dopaje con germanio y la heterointegración, está superando las limitaciones de la banda prohibida de los materiales de silicio. En el campo de los fotodetectores, la tecnología de dopaje en gradiente de SiGe combinada con una capa de barrera de nitruro de silicio ha mejorado la eficiencia cuántica en la banda de longitud de onda de 1310/1550 nm por encima del 90% y ha reducido la corriente oscura al nivel de 0,1 nA. Los detectores de silicio negro preparados mediante dopaje sobresaturado por láser de femtosegundo presentan concentraciones de dopaje de azufre/selenio superiores a 10¹⁹ cm-3, con un rango de respuesta espectral ampliado a 400-1700 nm. Estos dispositivos flexibles han completado pruebas de campo en sistemas optoelectrónicos de vehículos aéreos no tripulados (UAV).

A la vanguardia de la fotónica integrada, los moduladores electroópticos de niobato de litio-SOI adheridos a nivel de oblea demuestran un ancho de banda de modulación de 40 GHz, con un consumo de energía reducido en un 30% en comparación con las soluciones tradicionales, perfectamente adecuado para los requisitos de comunicación de ondas milimétricas 5G/6G. Cabe destacar el detector de ganancia fotónico integrado: la integración monolítica de amplificadores LNOI dopados con erbio (ganancia > 20 dB) con diodos de avalancha de InGaAs ha llevado la sensibilidad de los receptores de comunicaciones ópticas más allá de -30 dBm. Esta tecnología ha sido validada mediante una transmisión sin relés de 1.000 kilómetros en sistemas de cable submarino.

Fig. 7 Aplicaciones de la integración fotónica basada en silicio en el campo de las telecomunicaciones

6 Perspectivas de futuro: Sinergia de materiales e integración de sistemas

Los avances en estos tres sistemas de materiales no son desarrollos aislados, sino que presentan importantes efectos sinérgicos. La combinación de la elevada no linealidad del niobato de litio y la compatibilidad CMOS de SOI está dando lugar a circuitos integrados fotónicos de pérdidas ultrabajas. Mientras tanto, las características de alta potencia del YAG combinadas con la modulación electroóptica del niobato de litio pueden conducir al desarrollo de una nueva generación de módulos transmisores lidar. A medida que madura la tecnología de integración híbrida a nivel de oblea, los chips fotónicos evolucionan de componentes discretos a sistemas multifuncionales: de la distribución cuántica de claves a la informática óptica de inteligencia artificial, del procesamiento industrial por láser a la obtención de imágenes biomédicas. Esta revolución de los materiales está redefiniendo los límites de la tecnología fotónica.

El paso de estos materiales avanzados de la investigación a la aplicación en el mundo real depende de una sólida cadena de suministro de sustratos y obleas de alta calidad. En Stanford Advanced Materials (SAM), proporcionamos los materiales básicos -incluidos cristales de niobato de litio y YAG de alta pureza, así como obleas SOI especializadas- que permiten las innovaciones en láseres, moduladores e integración fotónica que se analizan en este artículo. Nos comprometemos a ayudar a investigadores e ingenieros a transformar los planos de diseño de los chips fotónicos en una realidad comercial.